EPREUVE DE TRAVAUX PRATIQUES DE PHYSIQUE AUX ORAUX

I) Consignes générales :

- Seuls les élèves admissibles à l’une des écoles suivantes passeront cet oral :

Concours Centrale-Supélec

Concours Commun Mines Ponts

ENS Cachan et Rennes

Ecole Polytechnique. - L’épreuve dure 3 heures.

- L’usage de la calculatrice personnelle est autorisé.

- Il s’agit d’un TP de Physique. Il n’y a donc pas de Chimie.

- L’épreuve pratique de Physique consiste en une manipulation au cours de laquelle l’examinateur peut

interroger le candidat.

- Le jury insiste sur l’importance de l’autonomie sur les conditions opératoires (choix des signaux, de

valeurs de composants,…) et de la prise d’initiatives des candidats, ainsi que sur l’importance de

l’évaluation des incertitudes sur les mesures dans le compte-rendu.

II) Cahier des charges de l’épreuve de TP de Physique :

1) Objectif :

L’objectif de cette épreuve est d’évaluer la capacité des candidats à mettre en pratique leurs connaissances

théoriques, en mettant en œuvre un montage expérimental dans le but d’obtenir, d’interpréter et d’exploiter

des résultats expérimentaux.

2) Organisation :

Une équipe d’interrogateurs/rédacteurs de sujets, avec à leur tête un coordonnateur (qui pourra faire partie

de l’équipe) est constituée. Elle est composée d’enseignants de sciences physiques d’écoles, d’universités et

de CPGE (les enseignants de CPGE faisant partie des équipes ne peuvent pas enseigner dans la filière

PTSI/PT). Chaque interrogateur propose ses sujets, en adéquation avec les programmes de première et de

deuxième année de classe préparatoire.

Avant l’épreuve, un tirage au sort est effectué, qui affecte un candidat à un sujet. Trois jurys de deux

interrogateurs travaillent en parallèle. Chaque examinateur interroge quatre candidats par session. Les

épreuves, d’une durée de 3h, se déroulent dans les laboratoires de physique et de physique appliquée de

l’Ecole Normale Supérieure de Cachan.

Avant le commencement de l’épreuve, des recommandations et conseils sont faits aux candidats. Ceux-ci

portent à la fois sur les attentes du jury concernant les manipulations et le compte rendu que les candidats

doivent remettre à l’issue de l’épreuve, sur l’utilisation du matériel mis à disposition, et d’une manière

générale sur le déroulement de l’épreuve.

3) Contenu de l’épreuve :

Les thèmes des manipulations sont susceptibles de couvrir l’intégralité des programmes de physique de

première et deuxième année de la filière. Certains sujets sont directement issus du programme, d’autres

abordent des thèmes qui n’ont pas explicitement été vus en travaux pratiques par les candidats. Pour ces

derniers, les sujets sont libellés de façon à guider le candidat de telle sorte qu’il puisse aborder un problème

nouveau à partir des connaissances du programme.

Au cours de la manipulation, les examinateurs sont amenés à interroger le candidat, pour tester ses

connaissances, mais aussi éventuellement pour l’orienter dans ses manipulations, et juger de ses capacités à

appréhender un problème nouveau. Ces interrogations sont menées de façon progressive, de sorte à vérifier

que le candidat maîtrise les notions de base du domaine, avant d’entrer plus en détail dans l’analyse de la

manipulation proposée. L’approche de la manipulation doit comporter une phase d’observation, une phase

d’interprétation et une phase d’analyse critique des résultats.

Un compte rendu de manipulation doit être rédigé par le candidat, dans lequel il faut :

• répondre brièvement aux questions,

• détailler le cas échéant les calculs servant à la prédétermination d’une ou plusieurs valeurs de composants,

• présenter clairement le mode opératoire,

• effectuer une analyse critique des résultats et faire une synthèse en tirant des conclusions par rapport aux

notions essentielles abordées dans le sujet à traiter.

La qualité et la pertinence du compte-rendu, l’aisance dans l’analyse et la réalisation des manipulations

proposées, ainsi que l’interaction avec l’interrogateur entrent en compte dans l’évaluation finale.

III) Rapport de jury :

1) Rappels sur l’organisation :

Les épreuves de manipulation de physique se sont déroulées dans les laboratoires de physique et physique

appliquée de l’école Normale Supérieure de Cachan. Trois jurys ont travaillé en parallèle et les candidats ont

participé comme l’an passé au tirage au sort d’un sujet de manipulation parmi les différents domaines de la

physique comme la mécanique, l’optique, l’électromagnétisme, l’électricité, l’électronique, les ondes, la

thermodynamique,…. Les sujets sont régulièrement renouvelés chaque année et même si certains supports

physiques sont conservés, les questions posées sont modifiées. Dans un souci d’équité entre candidats, un

effort d’homogénéisation du matériel de mesure proposé a été fourni.

2) Objectifs :

La majeure partie des manipulations proposées repose sur des systèmes physiques élémentaires et cherchent

à illustrer leurs principes. Les membres du jury rappellent que les objectifs de cette épreuve sont d’évaluer

les capacités du candidat à :

- mettre en pratique ses connaissances théoriques,

- mettre en œuvre un montage expérimental,

- obtenir, interpréter et exploiter des résultats expérimentaux,

- s’adapter le cas échéant à un problème expérimental nouveau.

Les sujets proposés sont donc rédigés de manière à :

- vérifier les connaissances théoriques de base,

- guider le candidat pour établir la démarche expérimentale afin d’obtenir des relevés de bonne qualité,

- inciter le candidat à interpréter les résultats obtenus. La confrontation des résultats expérimentaux aux

prédéterminations théoriques devrait être systématiquement proposée par le candidat.

Nous rappelons aux candidats qu’ils doivent rédiger un compte rendu de manipulation dans lequel il faut :

- répondre brièvement aux questions,

- détailler le cas échéant les calculs servant à la prédétermination d’une ou plusieurs valeurs de composants,

- résumer le mode opératoire,

- effectuer une analyse critique des résultats et surtout faire une synthèse en dressant des conclusions par

rapport aux notions essentielles abordées dans le sujet à traiter.

De manière générale, cette épreuve ne doit pas être considérée comme une seconde interrogation orale de

physique, mais bien comme un exercice de manipulation, complémentaire à cette dernière. En ce sens, les

sujets sont rédigés de telle sorte que la partie prédétermination n’occupe pas le candidat plus d’un quart de la

durée de l’épreuve. Les examinateurs sont même susceptibles de donner des réponses au candidat, lui

permettant d’aborder la partie manipulation au plus tôt.

3) Déroulement de l’épreuve :

Avant le commencement de l’épreuve, des recommandations et conseils sont faits au candidat. Ceux-ci

portent à la fois sur les attentes du jury concernant les manipulations et le compte rendu, sur l’utilisation du

matériel mis à disposition, et d’une manière générale sur le déroulement de l’épreuve. Il est vivement

conseillé aux candidats de porter une attention toute particulière à ces recommandations, et surtout de mettre

en œuvre les instructions de manipulation qui sont données. Au cours de la manipulation, les examinateurs

sont amenés à interroger le candidat, pour tester ses connaissances, mais aussi éventuellement pour l’orienter

dans ses manipulations, et juger de ses capacités à appréhender un problème nouveau. Ces interrogations

sont menées de façon progressive, de sorte à vérifier que le candidat maîtrise les notions de base du

domaine, avant d’entrer plus en détail dans l’analyse de la manipulation proposée. Il est rappelé que les

interrogations portent sur les programmes de première et de deuxième année de classe préparatoire.

4) Exemples de thèmes abordés :

Les thèmes de manipulations portent sur l’électricité, l’électronique, l’optique, les ondes, la mécanique et la

thermodynamique (thermique). A titre d’exemple, citons les thématiques suivantes :

- caractérisation de dipôles (linéaires ou non),

- association de multiplieurs et de filtres, principe et applications de la détection synchrone ou de l’analyse

fréquentielle,

- analyse harmonique par filtrage,

- oscillateurs (mécaniques et électriques),

- spectroscopie avec prisme ou réseau,

- optique géométrique : lentilles divergentes,

- interférences avec fentes d’Young,

- étude d’un système résonant mécanique (diapason),

- solide en rotation,

- résonateur mécanique (régime libre et forcé)

- induction, mesure de mutuelles,

- magnétostatique,

- ondes (mécaniques, électromagnétiques, ultrasonores) : propagation, interférences, …

- conduction thermique.

Certains sujets sont directement issus du programme des classes préparatoires. D’autres abordent des thèmes

qui n’ont pas été explicitement vus en travaux pratiques par les candidats. Pour ces derniers, les sujets sont

libellés de façon à guider le candidat de telle sorte qu’ils puissent aborder un problème nouveau à partir des

connaissances acquises en cours.

5) Conseils généraux :

Dès le début de l’épreuve, il est vivement conseillé aux candidats de faire une lecture attentive et complète

du sujet. Les indications données dans l’énoncé du sujet ou oralement doivent être prises en compte.

Beaucoup de candidats ne lisent pas assez en détail l’énoncé et font souvent ce qu’ils ont l’habitude de faire

sans trop tenir compte de ce qui est demandé. On trouve souvent dans l’énoncé toutes les informations utiles

pour faire le TP correctement sans être hors sujet.

L’approche de la manipulation doit comporter une phase d’observation, une phase d’interprétation et une

phase d’analyse critique des résultats. Les éventuelles divergences entre la théorie et la pratique doivent être

absolument interprétées et justifiées, ou permettre de rétablir des erreurs éventuelles tant pratiques que

théoriques. Le jury insiste sur le fait que le candidat doit remettre en question, s’il y a lieu, ses calculs

théoriques, sa mesure ou le modèle théorique utilisé. Dans le cas d’un modèle mal approprié, un nouveau

modèle doit être proposé. Toujours de manière générale, le jury souhaite faire remarquer que la

connaissance d’ordres de grandeurs dans les domaines d’applications courantes de la physique, si elle ne

constitue pas une obligation, facilite tout de même grandement la détection d’erreurs grossières. Il est

rappelé que l’usage de la calculatrice personnelle est autorisé pour cette épreuve. En cas d’oubli ou de

disfonctionnement de sa calculatrice, une calculatrice scientifique collège est mise à disposition du candidat.

De manière générale, le jury regrette la lenteur de certains candidats. Si le soin apporté à un relevé de

mesure est une qualité appréciée, il est rappelé que les sujets de manipulation sont prévus pour être traités

dans leur intégralité pendant les 3 heures d’interrogation. Il ne saurait être une bonne option pour un

candidat de n’aborder que partiellement le problème posé.

Nous souhaitons attirer l’attention des futurs candidats sur deux points particuliers ayant particulièrement

interpellé le jury cette année. Le premier concerne l’emploi du vocabulaire scientifique de la discipline.

L’emploi de termes imprécis, voir erronés, ne laisse pas transparaitre une impression de maitrise du sujet par

le candidat. Un effort de rigueur est absolument nécessaire. Le second point concerne l’utilisation de l’outil

mathématique. Le jury est frappé par le contraste entre le gout des candidats pour les longs développements

mathématiques (parfois ardus) dans lesquels se perd bien souvent le sens physique du problème, et

l’incapacité des mêmes candidats à mettre en œuvre (correctement) une opération mathématique élémentaire

sur le système ou les données de mesure. De trop nombreux candidats ont ainsi peiné à réaliser la lecture

d’un angle modulo 2 , utiliser des relations trigonométriques de base dans un triangle, établir le coefficient directeur d’une droite à partir de deux points de mesure, …

6) Remarques du jury :

Pour plus de détail, lire la fin du rapport de jury sur le site internet de la banque PT.

IV) Compétences spécifiques mobilisées lors des activités expérimentales :

Je vous rappelle ici un passage du programme officiel de la classe de PT. Il est vraisemblable que la

« grille » du barème de notation s’appuie sur les compétences et capacités ci-dessous.

Les activités expérimentales en classe préparatoire aux grandes écoles (CPGE) mobilisent les compétences

spécifiques qui figurent dans le tableau ci-dessous. Des capacités associées sont explicitées afin de préciser

les contours de chaque compétence, elles ne constituent donc pas une liste exhaustive et peuvent parfois

relever de plusieurs domaines de compétences.

Les compétences doivent être acquises à l’issue de la formation expérimentale en CPGE, le niveau

d’exigence est naturellement à mettre en perspective avec celui des autres parties du programme de la filière

concernée. Elles nécessitent d’être régulièrement mobilisées par les élèves et sont évaluées en s’appuyant,

par exemple, sur l’utilisation de grilles d’évaluation.

L’ordre de présentation de celles-ci ne préjuge pas d’un ordre de mobilisation de ces compétences lors d’une

séance ou d’une séquence. Certaines ne sont d’ailleurs pas propres à la seule méthodologie expérimentale, et

s’inscrivent plus largement dans la démarche scientifique, voire toute activité de nature éducative et

formatrice (communiquer, autonomie, travail en équipe, etc.).

Compétence Exemples de capacités associées

S’approprier - rechercher, extraire et organiser l’information en lien avec une situation

expérimentale

- énoncer une problématique d’approche expérimentale

- définir les objectifs correspondants

Analyser - formuler et échanger des hypothèses

- proposer une stratégie pour répondre à la problématique

- proposer un modèle

- choisir, concevoir ou justifier un protocole ou un dispositif expérimental

- évaluer l’ordre de grandeur d’un phénomène et de ses variations

Réaliser - mettre en œuvre un protocole

- utiliser le matériel de manière adaptée

- mettre en œuvre des règles de sécurité adéquates

- effectuer des représentations graphiques à partir de données expérimentales

Valider - exploiter des observations, des mesures en identifiant les sources d’erreurs

et en estimant les incertitudes

- confronter un modèle à des résultats expérimentaux

- confirmer ou infirmer une hypothèse, une information

- analyser les résultats de manière critique

- proposer des améliorations de la démarche ou du modèle

Communiquer - à l’écrit comme à l’oral :

présenter les étapes de son travail de manière synthétique, organisée, cohérente et compréhensible

utiliser un vocabulaire scientifique adapté

s’appuyer sur des schémas, des graphes

- faire preuve d’écoute, confronter son point de vue

Etre autonome, faire

preuve d’initiative

- travailler seul ou en équipe

- solliciter une aide de manière pertinente

- s’impliquer, prendre des décisions, anticiper

Concernant la compétence « Communiquer », l’aptitude à rédiger un compte-rendu écrit constitue un

objectif de la formation. Dans ce cadre, on doit développer les capacités à définir la problématique du

questionnement, à décrire les méthodes, en particulier expérimentales, utilisées pour y répondre, à présenter

les résultats obtenus et l’exploitation, graphique ou numérique, qui en a été faite, et à analyser les réponses

apportées au questionnement initial et leur qualité. Les activités expérimentales sont aussi l’occasion de

travailler l’expression orale lors d’un point de situation ou d’une synthèse finale par exemple. Le but est de

préparer les élèves de CPGE à la présentation des travaux et projets qu’ils auront à conduire et à exposer au

cours de leur formation en école d’ingénieur et, plus généralement, dans le cadre de leur métier de chercheur

ou d’ingénieur. L’utilisation d’un cahier de laboratoire, au sens large du terme en incluant par exemple le

numérique, peut constituer un outil efficace d’apprentissage.

La compétence « Etre autonome, faire preuve d’initiative » est par nature transversale et participe à la

définition du niveau de maîtrise des autres compétences. Le recours à des activités s’appuyant sur les

questions ouvertes est particulièrement adapté pour former les élèves à l’autonomie et l’initiative.

V) Exemples de sujets des années antérieures : Electricité – Electronique :

1) Multivibrateur astable :

Ce TP a été souvent donné aux concours : 2003 (Bertrand JURQUET), 2004 (Rémy VARICHON), 2005

(Thibaut GUICHARD), 2005 (Nicolas CHAPOT), 2009 (Edouard MAUREL), 2017 (Mathieu

DECOTTEGNIE).

Je vous propose un énoncé reconstitué à partir des renseignements fournis par les élèves :

Electronique : « étude d’un générateur de signal »

I) Etude du premier bloc :

e1(t)

R1

R2

_

+

s1(t)

On a R1 = 75 k et R2 = 150 k.

Matériel fourni :

- GBF numérique à câble coaxial (pas de problème de masse)

- oscilloscope numérique à câble coaxial

- platine à matrice

- amplificateur linéaire intégré (sans platine) avec schémas de branchement + alimentation +15V/-15V

réglable

- résistances de 150 k uniquement - condensateur de 2,2 nF

1) Faire l’étude théorique du montage. Comment le nomme-t-on ? Tracer s1(t) et s1 = f(e1)

2) Etablir le câblage, puis vérifier le fonctionnement en comparant à l’étude théorique. Relever le

diagramme s1 = f(e1) et les diagrammes V+(t) et s1(t) (sur un même graphique).

II) Etude du deuxième bloc :

R

C

e2(t) s2(t)

_

+

On a R = 150 k et C = 2,2 nF.

1) Faire l’étude théorique du montage. Quelle fonction réalise-t-il ?

2) Etablir le câblage. Remarquez-vous des problèmes ? Quelle en est la cause ? Comment peut-on palier ce

défaut ? Expliquer… (il fallait dire pourquoi on mettait R’ en parallèle à C, la valeur de R’ (petite, moyenne

ou grande), et l’expliquer en parlant du comportement en haute et basse fréquence).

3) Etude fréquentielle du nouveau montage

- étude théorique : fonction de transfert et diagramme de Bode asymptotique.

- étude expérimentale : tracer le diagramme de Bode (en relevant les valeurs à l’aide des curseurs sur

l’oscilloscope) sur papier semi-log.

Commenter.

III) Etude du générateur (pas de schéma fourni)

Câbler le montage en mettant la sortie du bloc 1 en entrée du bloc 2, et la sortie du bloc 2 en entrée du bloc

1.

1) Prévoir l’allure de s2(t). Calcul de la période.

2) Montage. Comparer s2(t) avec la réponse à la question précédente.

3) D’autres questions et manipulations, notamment sur le contrôle de la période, de l’amplitude et du rapport

cyclique.

Commentaires :

Cette épreuve ressemblait aux TP E3 (Filtres du premier ordre, pour le montage intégrateur) et TP E6 (Oscillateur de relaxation : Générateur de signaux créneaux et triangulaires).

Toute l’étude théorique était demandée.

Le matériel était semble-t-il radicalement différent de celui du lycée… (« un peu déstabilisant, mais ils

expliquent tout, et bien, en début d’épreuve »). Il fallait travailler sur des platines à matrice, et il fallait

faire le branchement des ALI (notice fournie).

Les oscilloscopes « high-tech » ne pouvaient pas donner le déphasage entre deux signaux, il fallait se servir des curseurs.

R1 = 75 k, mais il n’y avait que des résistances de 150 k. Comment faire ?

Les valeurs des composants n’étaient pas les mêmes suivant les candidats.

Il fallait tracer les diagrammes de Bode sur papier semi-log.

Témoignage d’un élève : « Mes montages étaient bourrés de faux contacts, l’un des examinateurs (très froid) s’en contre fichait, et l’autre, bien plus aimable, a tenté d’y remédier… sans succès ».

Témoignage d’un élève : « L’énoncé de la troisième partie était très concis, il fallait effectuer le couplage

des deux blocs, et retrouver, tout seul comme un grand, le phénomène que l’on allait observer et le

confirmer par l’expérimentation. »

Témoignage d’un élève : « Le TP était plutôt basique, si on avait bossé ses TP. Tout se passait bien jusqu’au moment du montage, l’oscilloscope affichait un signal brouillon. Il m’a fallu le temps de

comprendre que cela ne venait pas de mon montage, changer l’ALI, changer les câbles, changer les

composants… Tout ça pour me rendre compte que j’avais récupéré une plaque avec un faux contact,

refaire le montage … Finalement, j’ai perdu une heure et quart. Je n’ai presque pas touché à la troisième

partie. Je n’ai pas obtenu la moyenne, alors que le reste était plutôt bien fait. Je pense qu’ils ont estimé

que je n’avais pas été assez autonome. »

Témoignage d’un élève (Mathieu Decottegnie) : « L’énoncé était exactement celui que vous proposez dans ce poly. Mon TP s’est globalement bien passé. Je suis passé très vite sur les parties théoriques qui ne

m’ont posées aucun problème. J’ai bêtement perdu du temps au début car j’avais mal compris la notice

d’alimentation de l’ALI avec l’alimentation stabilisée. Du coup, je n’ai pas pu finir le TP. Néanmoins, je

pense avoir correctement fait tout ce à quoi j’ai touché et j’ai essayé d’avoir le compte-rendu le plus clair

possible. Pour ce qui est du jury, ils insistent bien au début de l’épreuve sur le fait qu’il ne faut surtout pas

hésiter à les déranger si on est bloqué sur la manip ou sur la théorie. Les deux membres du jury étaient

très sympas et disponibles. Par rapport aux commentaires des années précédentes, je n’ai eu aucun

problème de faux contacts, mes montages fonctionnaient parfaitement. Au final, j’ai eu 14 / 20. »

1 bis) Multivibrateur astable (version plus récente) :

Ce TP a été souvent donné aux concours : 2018 (Noémie MANDON), 2018 (Pierre LIBAULT).

Je vous propose un énoncé reconstitué à partir des renseignements fournis par les élèves. Sur le fond, ce TP

ne semble pas avoir évolué beaucoup par rapport à la version précédente. Sur la forme, le montage

intégrateur est étudié avant le comparateur à hystérésis. La dernière partie permet de faire varier le rapport

cyclique.

But du TP : obtenir un signal triangulaire de rapport cyclique variable

Matériel :

- condensateur de C = 22 nF

- 2 résistances de 10 k / 1 résistance de 12 k / 1 résistance de 33 k - une plaquette avec déjà 2 ALI implantés dans le circuit de la plaquette

- une alimentation +15/-15 V

- un oscilloscope numérique

- un GBF

Pour les résistances, la valeur n’était pas donnée sur les composants, mais on disposait de la notice du

« code couleur ».

Pour l’alimentation de +15/-15 V, on disposait en fait d’une alimentation à deux sorties, et les

examinatrices nous ont expliqué avant de commencer comment obtenir une alimentation de +15/-15 V avec.

Partie 1 : montage intégrateur

R = 10 k

R

C

Ve Vs

_

+

1) Donner une relation entre Vs(t) et Ve(t). Déterminer également la fonction de transfert.

2) Quel type de signal doit-on avoir en entrée pour obtenir un signal triangulaire en sortie.

3) Réaliser le montage. Qu’observe-t-on ? Expliquer le phénomène avec une étude en basse et haute

fréquences (on observait aussi une composante continue pour le signal triangulaire en HF, il fallait en

donner la cause au jury).

4) On ajoute R’ = 10 k en parallèle au condensateur. Réaliser le montage. Expliquer en menant à nouveau

une étude à basse et haute fréquences.

5) Tracer le digramme de Bode théorique et expérimental du nouveau montage (il fallait savoir déterminer

expérimentalement la fréquence de coupure).

Partie 2 : comparateur à hystérésis

R1 = 12 k

R2 = 33 k

1) Quel est le régime de fonctionnement de l’ALI ?

2) Tracer la caractéristique du montage.

3) Réaliser le montage et observer la caractéristique sur l’oscilloscope : cela correspond-t-il à l’étude

théorique ?

ve vs

R1

R2

-

+

Partie 3 : Oscillateur

Je ne me souviens pas si, dans le dessin de l’oscillateur, la résistance R’ en parallèle de la capacité C était

représentée ou pas…

1) Expliquer le fonctionnement du montage et donner la forme des signaux Ve(t) et Vs(t).

2) Réaliser le montage.

3) Trouver la fréquence d’oscillation de cet oscillateur (théorique + expérimentale).

4) Observer les spectres de fréquence (transformée de Fourier) des signaux créneau et triangle.

Partie 4 : Rapport cyclique variable

Un des élèves prétend que le montage avec les diodes ne remplaçait pas la résistance R (du montage

intégrateur), mais la résistance R1 du montage comparateur à hystérésis. Je suis très sceptique car alors les

valeurs maximales et minimales du triangle ne seraient plus opposées il me semble… Bref, tester les deux

montages !

Commentaires :

Cette épreuve ressemblait aux TP E3 (Filtres du premier ordre, pour le montage intégrateur) et TP E6 (Oscillateur de relaxation : Générateur de signaux créneaux et triangulaires).

Toute l’étude théorique était demandée.

Il fallait tracer les diagrammes de Bode sur papier semi-log (je crois qu’il était demandé sur un papier

semi-log à 6 décades, mais on ne nous fournissait que des semi-log de 3 à 5 décades…).

Témoignage d’une élève (Noémie Mandon) : « J’ai passé trop de temps sur la réalisation du diagramme de Bode, parce que j’ai mis du temps pour prendre en main les curseurs de l’oscilloscope. Du coup, je n’ai

même pas eu le temps de réaliser le montage de l’oscillateur en entier… Je recommande aussi de ne pas

hésiter à appeler l’examinateur/trice assez régulièrement pour montrer les résultats expérimentaux

obtenus, ce que je n’ai pas fait assez souvent. D’ailleurs, l’examinatrice me l’a reproché. Au final, j’ai eu

13 / 20. »

Témoignage d’un élève (Pierre Libault) : « Je n’ai pas eu le temps de traiter la partie 4. Au final, j’ai eu 15 / 20. »

ve vs

R1

R2

-

+

ve

C

+

-

D1

D2

R xR

(1-x)R

ve vs

R1

R2

-

+

ve

R

C

+

-

2) Oscillateur quasi-sinusoïdal à résistance négative :

Ce TP a été donné souvent aux concours : 2006 (Jean-Baptiste DURY), 2011 (Olivier LESIMPLE), 2013

(Thibault DASSONVILLE), 2015 (Jacques MOULIN).

Je vous propose un énoncé reconstitué à partir des renseignements fournis par les élèves :

Oscillateur sinusoïdal (LC en parallèle)

Figure 1 :

Pour ce montage, on donne R = 3,9 k ; R1 = R2 = 1 k ; C = 470 nF ; L = 1 mH.

Etude du circuit LC :

Figure 2 :

Pour ce montage, on donne R = 1 k ; C = 470 nF ; L = 1 mH.

1) Donner une relation entre V1(j), V2(j), R et Z(j), où Z(j) est l’impédance complexe du circuit LC. 2) Tracer le diagramme de Bode de Z(f).

3) Donner la fréquence de résonance ainsi que le module et la phase de Z(f) à cette fréquence.

4) En quoi ce dispositif peut être utile, quel est son rôle ?

Etude du circuit rLC :

Figure 3 :

1) Etablir l’équation différentielle qui régit le circuit de la figure 3.

2) Dans quel cas peut-on observer des oscillations ?

3) Expliquer les transferts d’énergie dans le cas r est infinie, puis dans le cas où r est finie.

Etude du circuit complémentaire :

1) Donner la relation V = f (i) réalisée par le circuit en pointillé sur la figure 1.

2) Expliquer en quoi ce circuit est intéressant.

Etude du circuit de la figure 1 :

1) Réaliser le montage de la figure 1.

2) Donner les valeurs et grandeurs caractéristiques du signal de sortie V.

3) Proposer une méthode de stabilisation des oscillations.

Commentaires :

Cette épreuve ressemblait au TP E9 (Oscillateur quasi-sinusoïdal à résistance négative), sauf que le circuit

RLC n’était pas en série mais en parallèle.

Commentaires : La fonction de transfert du filtre de la figure 2 est à - 1/R près égale à l’impédance complexe du circuit LC. La première partie a donc pour but d’étudier la résonance d’un circuit LC

parallèle. En réalité, un circuit LC parallèle est un peu résistif, et on peut adopter un modèle rLC parallèle,

d’où l’étude de la deuxième partie. En réalité, r étant fini, les oscillations seront amorties. D’où l’intérêt de

la troisième partie : étude d’un montage à résistance négative.

Enfin, dans la quatrième partie, on ajoute à l’oscillateur le montage à résistance négative pour compenser

les pertes par effet Joule, et entretenir les oscillations.

Témoignage d’un élève : « Les examinateurs nous ont expliqué le fonctionnement général des éléments qu’on utilisait, en particulier des plaques où on fait les branchements et où on devait monter les ampli op

qui n’étaient pas montés directement. Les oscilloscopes étaient différents de ceux utilisés au lycée mais le

fonctionnement était simple. »

Témoignage d’un élève : « Le fonctionnement des platines et autres objets était très bien expliqué. Il

fallait calculer les valeurs des résistances puis les choisir grâce au code des couleurs (une feuille annexe

expliquait le code des couleurs). Il fallait reconnaître les condensateurs (jaune, avec « nF » dessus) et la bobine (bloc noir sans indication). L’oscilloscope ressemblait beaucoup à ceux utilisés au laboratoire de

Physique (analogiques), ils donnaient le déphasage, l’amplitude crête à crête, la fréquence, la valeur

moyenne.

L’examinateur était agréable, il essayait de me faire comprendre les liens entre les différentes parties. Il

voulait également que j’explique l’aspect « physique », que je prenne du recul par rapport à mes

manipulations. Il n’est venu que trois fois. Au début pour m’expliquer le fonctionnement des appareils,

puis ensuite il est venu corriger jusqu’à la fin de la première partie alors que j’étais allé plus loin, et en fin

d’épreuve où nous avons rapidement fait le tour des questions suivantes.

Nous avions à notre disposition du papier semi-log (1/3/4 décade(s)).

Nous utilisions des fiches BNC pour alimenter le circuit, ce qui m’a paru étrange au début. »

Témoignage d’un élève : « A la sortie de l’épreuve, mon impression était mitigée : pas de gros raté, mais

pas eu le temps de rédiger tout ce que je voulais sur le compte-rendu, notamment à cause de l’examinateur

qui m’a fait attendre 25 minutes alors que j’avais une question importante. Une fois qu’il est venu, sa

réponse à ma question m’a débloqué. A part ça, un jury cool, très sympathique ! Au final, j’ai eu 12. »

3) Oscillateur quasi-sinusoïdal à pont de Wien : 2010 (Julien FLORES)

I) Etude du filtre à pont de Wien :

R

C Ve Vs

R

C

On donne R = 10 k, C = 10 nF.

Etablir le diagramme de Bode de ce filtre, d’abord théoriquement, puis expérimentalement grâce à un

oscilloscope.

II) Etude du montage :

Ve Vs

R1 R2

+

_

Donner une relation entre VS et Ve, puis le vérifier expérimentalement.

III) Oscillateur quasi-sinusoïdal à pont de Wien :

R

C Ve Vs

R

C Vs

R1 R2

+

_

Donner l’équation différentielle vérifiée par la tension VS et par la tension Ve.

Condition pour avoir un oscillateur harmonique ? Fréquence de cet oscillateur harmonique ?

IV) Questions sur la stabilité de cet oscillateur (que l’étudiant n’a pas eu le temps de traiter).

Commentaires :

Cette épreuve ressemblait aux TP E4 (Filtres du second ordre, pour le filtre à pont de Wien) et TP E5 (Oscillateur quasi-sinusoïdal à rétroaction).

Témoignage de l’élève : « J’ai mis un peu de temps à démarrer car je ne savais plus construire un

diagramme de Bode expérimentalement ! Globalement les examinateurs ont été très sympas. »

4) Filtrage :

Exemple 1 : 2006 (Ingi Björn BROWN)

Tracé de diagrammes de Bode.

Témoignage de l’élève : « Les deux examinateurs ne se sentaient pas vraiment concernés : pendant 3

heures, l’un a joué au solitaire sur un ordinateur et l’autre a lu un livre … La note a donc dû être portée sur

la qualité du compte-rendu. »

Exemple 2 : 2007 (Guéric VEYRE DE SORAS)

Filtre du deuxième ordre avec trois amplificateurs opérationnels.

Témoignage de l’élève : « Expérimentalement, il fallait tracer le diagramme de Bode pour le gain

uniquement. Pour l’aspect théorique du compte-rendu, il fallait notamment établir la fonction de transfert

du filtre : ça faisait des calculs lourds, j’ai enchaîné des lois des nœuds et des lois des

mailles. L’examinatrice tournait entre les différents TP. Le matériel était bizarre mais il a été bien

expliqué. »

Remarque : Pour éviter des calculs lourds, penser à utiliser des théorèmes de Millman sur les entrées des

ALI.

Exemple 3 : 2011 (Damien GAUTHIER)

Electronique.

Il fallait étudier un filtre, tracer différents diagrammes de Bode suivant la variation d’une résistance, et

expliquer l’utilisation du filtre. Ici, il permettait d’augmenter ou de diminuer les sons graves.

5) Circuit RC soumis à divers signaux d’entrée : 2009 (Gautier NOIRAY)

Circuit RC soumis à un échelon de tension : Donner l’équation différentielle vérifiée par la tension aux bornes de la capacité C, et la résoudre.

Effectuer le montage, et obtenir des « grandeurs caractéristiques » avec la plus grande précision possible.

Circuit RC soumis à un signal créneau de période T : u(t) varie donc entre –E et +E, il fallait trouver E et le retrouver expérimentalement.

Circuit RC en régime sinusoïdal forcé :

Quel filtre constitue ce montage ? Fonction de transfert … Tracer le diagramme de Bode.

Témoignage de l’élève : « Le jury était plutôt sympa, il expliquait volontiers le fonctionnement des différents

composants, mais n’aidait pas du tout pour la résolution. »

6) Redressement d’un signal : 2012 (Baptiste CARTIER), 2014 (Albin GIROUD)

Electronique : Montages à diode permettant de redresser un signal sinusoïdal.

Première partie : Généralités sur les diodes :

Un graphe montrant la caractéristique courant / tension d'une diode idéale ainsi qu'une explication rapide de

son fonctionnement était fourni.

Voir figure 1 pour la suite.

- Expliquer comment ce montage permet de déterminer la caractéristique d'une diode.

- Expliquer comment déterminer celle-ci avec un oscilloscope.

- Réaliser le montage et mesurer la tension de basculement Vd de la diode.

Deuxième partie : Redressement simple :

- Figure 2 : donner l'allure théorique du signal de sortie et calculer les valeurs théoriques moyenne et

efficace de celui-ci, en supposant que l’on a une diode parfaite avec une tension seuil à 0 V.

- Réaliser le montage. Que remarquez-vous ? Mesure expérimentale des valeurs moyennes et efficaces grâce

à l’oscilloscope. Comparer aux valeurs théoriques et expliquer l’origine de l’écart trouvé.

- Nouveau montage, figure 3 : mêmes questions. Conclure sur l’intérêt du montage. Expliquer le principe de

fonctionnement du montage.

Troisième partie : Redressement double :

Voir figure 4. Expliquer le principe de fonctionnement du montage. Quel type de signal a-t-on en sortie ?

Réaliser les mesures de vR moyen et vR efficace, les comparer aux valeurs théoriques et conclure sur l’intérêt

d’un tel montage.

Quatrième partie : Extraction de la valeur moyenne :

Figure 5 : étude théorique du filtre + diagramme de Bode.

On adjoint le montage de la figure 5 au montage précédent.

Témoignage d’un élève : « L'énoncé fourni est assez sommaire, mais je ne me souviens plus très bien. J'ai eu beaucoup de mal au début, surtout avec la manipulation des oscilloscopes qui étaient, pour tous les

candidats de mon groupe, des oscilloscopes à mémoire, au choix analogique ou numérique (à 4 entrées

non différentielles), en tous cas ils étaient bien différents de ceux que l'on utilise dans l'année. Les

plaquettes s'utilisent facilement et on utilise uniquement des câbles coaxiaux pour les liaisons entre la

plaque et l'oscilloscope / le générateur. J'ai fait le montage de la partie 3 mais celui-ci ne donnait pas le

résultat voulu. Enfin, je n'ai pas eu le temps de traiter la dernière partie. »

Témoignage d’un élève : « J’ai assez bien réussi jusqu’à la fin de la partie 2 (redressement simple),

ensuite j’ai commencé à câbler le gros montage du redressement double mais il était vraiment très long à

réaliser (j’y ai passé plus de 20 minutes) et je n’ai pas eu le temps de finir. J’ai quand même rédigé la

partie théorique de la quatrième partie et écrit la méthode pour obtenir les diagrammes de Bode.

Sinon les examinateurs sont cools, ils expliquent et vérifient bien tout ce qui est de l’ordre du matériel.

Les oscilloscopes étaient vraiment très différents de ceux qu’on utilise en cours, notamment pour utiliser le

mode XY, mais ils permettaient d’obtenir directement plein de mesures comme la valeur efficace et la

valeur moyenne d’un signal.

7) Détermination de caractéristiques de dipôles : 2016 (Bilal AADJOU)

Partie théorique :

La diode est supposée idéale. On donne E = 3 V ;

R1 = 12 Ω ; R2 = 500 Ω.

Déterminer la caractéristique statique i = f(U).

Partie pratique :

Hypothèses :

D1, D2 et D3 sont les dipôles à étudier.

D1 et D2 n’ont pas d’impédances complexes.

D3 est constitué d’éléments électroniques de

base (R, L ou C).

RS = 10 Ω et est négligeable devant D1 et D2.

a) Etude des dipôles D1 et D2 :

Pour les dipôles D1 et D2 :

Proposer un schéma de montage permettant d’obtenir la caractéristique statique.

Réaliser le montage, faire les relevés, etc.

Proposer la nature du dipôle réalisant cette caractéristique.

b) Etude du dipôle D3 :

Expliquer pourquoi le dipôle D3 ne peut pas être déterminé uniquement avec sa caractéristique statique.

Proposer une méthode d’analyse.

Conclure.

Témoignage de l’élève :

« Il y avait un circuit composé de trois dipôles, l’objectif du TP était de déterminer de quoi ils étaient

constitués.

Le dipôle D1 correspondait au dipôle de la partie théorique. Le dipôle D2 correspondait au montage ci-

dessous je pense :

Quant au dipôle D3, je n’ai pas réussi à déterminer ce que c’était. J’ai justifié le fait qu’il ne se traitait pas

comme D1 et D2 car il était composé de dipôles (L et/ou C) dont le comportement dépend de la fréquence du

signal envoyé (j'ai essayé de proposer quelque chose comme je pouvais).

Le matériel était vraiment bizarre (je m’attendais à avoir à me servir des fameuses platines à matrice mais

c’était des câbles coaxiaux donc le fait qu’il n’y ait pas de dédoubleur sur les oscilloscopes et GBF m’a un

peu perturbé).

Il y avait une erreur dans mon étude théorique et après l’avoir cherchée pendant un moment, l’examinateur

m’a dit de passer à la suite.

Concernant les manipulations il y avait très peu d’indications, c’était à moi de « pondre » des schémas de

câblage pour réaliser ce qui était demandé.

L’examinateur était très peu bavard avec moi car j’ai remarqué qu’il passait beaucoup de temps avec les

autres candidats à leur poser des questions pour les faire avancer tandis que moi j’étais un peu livré à moi-

même.

Bref une épreuve ratée, je vais tâcher de me surpasser dans les autres épreuves.

Nous étions 8 par salles (3 salles de 3 jurys et tout laisse à penser qu’il y avait une salle d’optique, une

d’électronique, et une autre d’électromagnétisme ou mécanique probablement) et dans ma salle il y avait 2

énoncés de TP différents et chaque examinateur s’occupait d’un seul TP et donc de 4 candidats.

Au final, j’ai eu 3 / 20 !!! »

8) Filtrage numérique et analogique : 2017 (Simon-Pierre de PARSCAU du PLESSIX et Baptiste

PELLETIER)

Le but du TP était de comparer deux filtres passe-bas du 1er ordre : un filtre RC analogique et un filtre

numérique réalisé par une carte Arduino.

Première Partie : Prédétermination

Concernant les filtres passe-bas du 1er ordre, on nous demandait : la fonction de transfert, l’équation

différentielle, la pulsation de coupure, la réponse indicielle (réponse à un échelon de tension), la valeur au

bout du temps caractéristique (63 % de la valeur finale).

Ensuite, il fallait appliquer la méthode d’Euler pour réaliser le filtrage numérique. Le programme étai t déjà

écrit (carte Arduino). Il fallait seulement compléter des valeurs de constantes. Rien de très difficile.

Deuxième partie : Manipulations :

Matériel à disposition : oscilloscope (récent, numérique, en couleur !), GBF, câbles BNC-BNC, « T » BNC,

fiches bananes, …

Au début de l’épreuve, les examinateurs ont réexpliqué comment utiliser le matériel, de façon claire.

La globalité des montages était déjà réalisée, il n’y avait qu’à allumer les appareils et prélever les tensions

aux bons endroits (câbles BNC-BNC + « T » BNC).

La première manipulation consistait à observer la réponse des deux filtres à un signal créneau de fréquence

variable et inférieure à la fréquence de coupure du filtre (c = 100 rad.s-1) (ex ci-dessous avec f = 10 Hz).

Il fallait prendre garde, car le filtre numérique

saturait à 10 V. Il fallait réguler l’amplitude du signal d’entrée pour que celle-ci ne soit pas trop

importante.

Il fallait dessiner tout ce qu’on observait (pas

d’ordinateur).

Je me suis amusé à faire varier la fréquence (ce

n’était pas demandé). L’examinateur m’a

demandé de relever la constante de temps dans les

différents cas.

Ensuite, on faisait une étude en régime sinusoïdal forcé : l’entrée était donc une sinusoïde.

Une étude de gain était demandée pour des fréquences comprises entre 10 Hz et 1 kHz.

Mon diagramme ne ressemblait à rien du tout…

Toutes les mesures étaient prises à la main, puis le logarithme calculé grâce à la calculatrice de type

collège, et enfin on traçait le diagramme sur du papier semi-log.

Enfin, avec une entrée sinusoïdale à 100 Hz, il fallait faire une étude du spectre du signal de sortie du filtre

numérique en faisant une FFT.

On observait évidemment un pic à la fréquence de 100 Hz. Vu que la fréquence d’échantillonnage était

égale à 1000 Hz, on observait également un pic à 900 Hz (repliement de spectre), et des pics à 1100, 1900,

2100, 2900, … Hz (périodicité du spectre). Au fur et à mesure que la fréquence augmentait, l’amplitude des

pics diminuait.

L’examinateur m’a aussi posé une question sur le critère de Nyquist-Shannon et son influence sur le signal

et sur le spectre.

Témoignage du 1er élève :

« Bref, rien de bien compliqué. Le jury n’était pas stressant. Au final, j’ai eu 16 / 20. »

Témoignage du 2ème élève :

« Un TP pas compliqué, facile même si on a révisé l’échantillonnage ! Le jury, pas méchant, m’a aidé à

manipuler l’oscillo et me posait quelques questions pour m’aider à garnir mon compte-rendu. J’ai eu peur

en voyant la carte Arduino (mauvais souvenir de terminale) mais en fait on n’avait pas à la régler. Ouf ! Au

final, j’ai eu 15 / 20. »

9) Pont de Maxwell : 2018 (Urbain NOURISSAT)

Matériel :

- une résistance dont la valeur est à déterminer

- une capacité dont la valeur est à déterminer

- deux bobines dont les valeurs sont à déterminer

- deux platines présentées à la fin de l’énoncé, dans la figure 1

- un oscilloscope

- un multimètre

- des câbles coaxiaux

Théorie

1) Déterminer la valeur L0 pour que le pont soit équilibré (tension nulle aux bornes de R5).

J’ai commencé par une étude des courants, puis l’examinateur m’a conseillé de passer par les

complexes ; l’étude aboutissait ainsi à une égalité entre deux nombres complexes.

2) Déterminer la nature du filtre par la méthode de votre choix (à expliciter). On prendra L = 10 L0.

L’entrée du filtre était e et la sortie du filtre était prise aux bornes de la résistance R5 (donc VA – VB).

Je ne me souviens plus de la nature du filtre (élève).

Sauf erreur de ma part, on obtient un filtre passe-bas qui devient un filtre passe-bande si R2 a pour

valeur la valeur qu’elle doit avoir pour équilibrer le pont ! (professeur).

3) Déterminer la fonction de transfert du filtre pour L = 10 L0.

Que de calculs ! J’ai commencé à la chercher mais vue la tournure que cela prenait, j’ai préféré ne pas

perdre de temps… (élève).

Sauf erreur de calcul, on obtient un filtre passe-bas qui devient un filtre passe-bande si R2 a pour valeur

la valeur qu’elle doit avoir pour équilibrer le pont ! (professeur).

4) Déterminer les paramètres du filtre : ω0, Q.

Pratique

1) On dispose d’une résistance (le composant est sans support). Déterminer la valeur de cette résistance.

Je me suis compliqué la vie à faire tout un protocole comprenant la mesure du courant traversant la

résistance pour différentes tensions et le tracé du courant en fonction de la tension pour en déduire

graphiquement cette résistance (avec calcul des incertitudes). Quand l’examinateur est passé, il m’a dit

que l’on pouvait aussi utiliser le multimètre en mode ohmmètre…

2) On dispose d’un RC série et d’un RL série. Déterminer C et L (il y avait deux bobines ; il fallait aussi

déterminer laquelle était égale à dix fois l’autre).

Pour le circuit RC, j’ai déterminé la constante de temps pour en déduire C. Comme j’étais en retard, j’ai

dit que l’on obtenait L par un raisonnement analogue en travaillant sur les courants.

3) Equilibrer le pont en réglant R2.

Il suffisait de mesurer VA - VB à l’oscilloscope et de régler la résistance avec un petit tournevis jusqu’à ce

que la tension s’annule.

4) Tracer le diagramme de Bode du filtre.

Je n’ai eu le temps de tracer que quelques points…

Le tracé devait se faire sur papier semi-log.

Figure 1 : Platines à disposition

- Sur la platine 1, il était explicitement noté C et R. Il s’agissait d’emplacements « type platine » ; on

branche le composant tel quel sur les emplacements figurés par une petite flèche (elles n’étaient pas

présentes sur la platine).

- Sur la platine 2 on ne pouvait modifier que R2 grâce à un tournevis et l’on pouvait débrancher L.

Figure 2 : Schéma électrique du montage « Pont de Maxwell »

Commentaires de l’élève :

« Globalement, le jury était bienveillant et disponible. Avec du recul, ce TP était facile ; je pense avoir

perdu du temps en me posant des questions existentielles là où il n’y avait que des manipulations basiques.

Au final, j’ai eu 8 / 20, ce qui ne m’a pas surpris… »

VI) Exemples de sujets des années antérieures : Optique :

1) Interférences et diffraction : 2003 (François GIRARDIN), 2008 (Yann DHYSER)

Figure d’interférences ou de diffraction avec un LASER pour :

une fente fine

des fentes d’Young

un réseau Détermination de la longueur d’onde du LASER par deux méthodes au choix.

Détermination des dimensions caractéristiques d’une mire.

Détermination des caractéristiques d’un objet inconnu (grille).

Détermination de la distance entre deux sillons d’un CD.

Observation en lumière blanche.

Commentaires :

Ce sujet ressemblait au TP O3 (Polarisation et interférences par division du front d’onde).

Témoignage d’un élève : « Les incertitudes sur les mesures étaient demandées pour toutes les réponses. L’examinateur est passé toutes les heures pour vérifier l’avancement et pour poser des questions. »

2) Spectroscopie à prisme ou à réseau : 2011 (Thomas PERRAUD)

Ce sujet ressemblait aux TP O1 (Spectroscopie à prisme) et TP O2 (Spectroscopie à réseau).

3) Optique et électromagnétisme : 2014 (Yannick COUDERT)

Commentaires de l’élève :

« On alimentait la bobine (qui créait donc un champ magnétique) et il fallait voir si les franges créées par

l’interféromètre de Michelson étaient changées. Cette expérience montrait que le champ magnétique a une

influence sur la matière. La courbe était assez bizarre, genre montée puis descente. Il y avait un autre truc

mais je n’ai pas eu le temps et je n’ai pas compris comment faire. »

4) Optique géométrique et ondulatoire : détermination d’une dimension par des méthodes optiques : 2016 (Lucas QUESADA)

Le but de ce TP est de déterminer la taille d’une des mailles d’une grille de fer. Pour cela, on dispose :

- d’un objectif de microscope

- d’une lentille convergente (qui sert d’oculaire) de distance focale connue et donnée

- d’un LASER

- d’une lampe de lumière blanche

- d’un écran

- d’un banc d’optique

- de différents supports permettant de fixer les éléments sur le banc d’optique

- d’une grille millimétrique

- d’une grille de métal très fine.

Pour une lentille donnée, on note O le centre optique de la lentille, F’ le foyer image, f’ = OF' la distance

focale, A un point objet sur l’axe optique et A’ l’image de A par la lentille. En notant p OA et p' OA' ,

les relations de conjugaison pour la lentille sont : OF'

1

OA'

1

OA

1 , donc

f'

1

'p

1

p

1

grandissement OA

'OA

AB

B'A' G , donc

p

'p

AB

B'A' G

Bizarrement, le grandissement était noté G, et pas , alors que G est traditionnellement réservé au grossissement.

Première partie :

A partir de différentes mesures de grandissements, proposer et réaliser un protocole expérimental utilisant

une méthode graphique permettant de déterminer la distance focale f’ de l’objectif de microscope

(renseignement utile pour la deuxième partie). On n’utilisera pas l’oculaire dans cette partie.

L’énoncé de cette partie était semble-t-il moins clair que ce qui est proposé ici : « il y avait bien une

question qui demandait de faire plusieurs mesures (qu’on exploitait ensuite), mais la première question

demandait de calculer le grandissement sans demander de faire plusieurs mesures et sans faire de lien avec

la distance focale. »

Il faut éclairer la grille millimétrique avec la lumière blanche (la grille est donc l’objet), mettre en place

l’objectif de microscope, et faire la mise au point avec l’écran pour chercher une image nette de la grille. Et

ce pour différentes positions de l’objet. A chaque fois, on relève la taille de l’image, on en déduit le

grandissement, et on relève également p’.

Grâce aux relations de conjugaison, on obtient aisément la relation )(p'G : 'f

'p - 1 G . On trace la courbe

G = )(p'G . Le coefficient directeur est alors 'f

1 - . On en déduit f’.

Le problème est que l’on ne connait pas l’exact emplacement du centre optique de l’objectif.

Malheureusement, je pensais à tort personnellement qu’il était connu et situé au niveau d’un cercle tracé

sur l’objectif, ce qui m’a induit en erreur.

On ne peut donc pas connaitre précisément p’ car on ne sait pas précisément où se situe le centre optique de

l’objectif. Du coup, au lieu de mesurer p’, on mesure (p’ + cte). Expérimentalement, on fait plusieurs

mesures de G en fonction de (p’ + cte), et on trace la courbe G = )c (p'G te . Le coefficient directeur est

alors 'f

1 - . Le + cte n’a pour effet que de translater la courbe à gauche ou à droite, mais ne change pas le

coefficient directeur. On en déduit alors f’.

Deuxième partie :

Proposer et réaliser un protocole expérimental permettant de déterminer la taille d’une des mailles de la

grille de fer. On ajoutera l’oculaire dans cette partie.

On fera un schéma du montage et on évaluera les incertitudes sur les mesures.

On définit l’intervalle optique comme la distance entre le foyer image de l’objectif F’1 et le foyer objet de

l’oculaire F2 : 21 F F' Δ .

On prouvera au préalable que, dans les conditions « normales » d’utilisation d’un microscope, on a :

f'

Δ - G , où G est le grandissement de l’objectif, et f’ la distance focale de l’objectif.

Dans les conditions « normales » d’utilisation d’un microscope, l’image est rejetée à l’infini (pas de fatigue

pour les yeux), et donc l’image intermédiaire se trouve dans le plan focal objet de l’oculaire (A’ = F2). Dans

ce cas, la relation donnée se démontre aisément en utilisant les relations de conjugaison.

Méthode proposée par M. Horemans, utilisant la notion d’intervalle optique !

Grâce à la première partie, on connait f’. En mesurant l’intervalle optique , on a ainsi facilement accès à

G . On peut ensuite placer la grille millimétrique au foyer objet de l’oculaire pour qu’elle se superpose avec

l’image intermédiaire de la grille métallique sur l’écran. La grille millimétrique sert ainsi d’étalon et

permet de mesurer la taille d’une maille « agrandie ».

Il ne reste plus qu’à utiliser la définition du grandissement pour déterminer la taille de la grille métallique.

Le problème de cette méthode est qu’on ne sait toujours pas rigoureusement où se trouve le centre optique

de l’objectif…

Méthode proposée par l’élève :

« En fait, comme je ne connaissais pas la position du centre optique de l’objectif, j’ai commencé sans

l’oculaire, et en plaçant la grille millimétrique devant l’objectif, j’ai essayé de trouver où était l’image

intermédiaire (je cherchais l’endroit le plus net) et quel était son grandissement associé grâce à l’écran. A

partir de là, j’ai placé mon oculaire de telle sorte que son foyer objet soit confondu avec l’écran, puis j’ai

remplacé la grille millimétrique par l’objet à mesurer et j’ai remplacé l’écran par la grille millimétrique.

J’ajouterais que sinon j’aurais cherché à déterminer ce fameux + cte pour savoir une fois pour toute où est

le centre optique de l’objectif car une fois qu’on a cette information il n’y a plus de problème. »

« Je pense que l’objectif de la deuxième partie était d’établir la manière d’intégrer un système de mesure à

un microscope. Mais le sujet ne le précisait pas, il demandait seulement de calculer la taille de l’objet. »

Troisième partie :

Proposer et réaliser un protocole utilisant le LASER et permettant de déterminer la taille d’une des mailles

de la grille de fer.

L’énoncé de cette partie n’était pas du tout détaillé. Il fallait ici exploiter le phénomène de diffract ion. Il

suffisait d’envoyer le faisceau LASER sur la grille, et ça diffractait dans les 2 directions (comme pour deux

réseaux « croisés », c’est-à-dire perpendiculaires entre eux). Grâce à la formule des réseaux, on avait alors

accès à la taille d’une maille.

Témoignage de l’élève :

« Je trouve que le sujet manquait beaucoup de clarté. Il donnait des pistes en donnant des formules utiles,

sans pour autant donner le protocole. De plus, les examinateurs ne sont passés que deux fois pour

m’aider. »

« Au final, j’ai eu 8 / 20 à cette épreuve. Je suis désagréablement surpris et déçu par les notes que j’ai eues

à l’oral de manière générale. Les notes ne correspondent pas à l’impression que j’ai eue lorsque j’ai passé

les épreuves. Du coup, j’ai l’amère sensation que les jurys se moquent de la prestation que l’on réalise et

distribuent les notes au hasard… En attendant, j’ai maintenant peu d’espoir pour l’ENS, il est donc

probable que je sois à l’ENSAM l’année prochaine… »

« Suite à la proposition qui m’a été faite, je serai au final l’année prochaine à … l’ENS Cachan !!! »

VII) Exemples de sujets des années antérieures : Mécanique :

Exemple 1 : 2008 (Victor-Emmanuel RENAUD)

Détermination du module d’Young d’un acier (réglet)

Etude statique :

Formule donnée : 4

2L

E e

gμ

2

3 d avec e l’épaisseur, la masse volumique et E le module d’Young

Déterminer le module d’Young par une méthode graphique (tracer une droite).

Etude dynamique :

Fréquence de résonance (formules données) par une méthode graphique.

Témoignage de l’élève : « Toutes les formules étaient données. Il était demandé de préciser à chaque fois

les incertitudes. »

Exemple 2 : 2009 (Thomas HUMEAU)

Ultrasons + filtrage

Exemple 3 : 2014 (Edwin GATIER)

Etude d’un diapason :

Première partie :

On frappait un diapason (440,0 Hz 0,1 Hz) avec un marteau. On disposait d’un microphone amplifié pour convertir le signal sonore en signal électrique.

L’énoncé disait que l’expression théorique de la réponse impulsionnelle du diapason est de la forme :

Q 2

1 Arccos - π θ avec θ t

Q 2

1 - 1 ωsin t

Q 2

ω - exp

Q 2

1 - 1

ωk (t)r

20

0

2

2

0

i

a) Que sont ω0 et Q ? Donner une méthode permettant d’obtenir un ordre de grandeur de Q.

Eléments de réponse : ω0 est la pulsation de résonance et Q le facteur de qualité du filtre passe-bande

correspondant au diapason. On peut estimer le facteur de qualité par Δf

f Q 0 .

b) Déterminer f0 expérimentalement.

Eléments de réponse : Q étant très grand (Q >> 1), la fréquence des oscillations est quasiment f0. Il suffit

donc de mesurer à l’oscilloscope la pseudo-période des oscillations.

c) Déterminer Q graphiquement.

Eléments de réponse : il faut observer l’enveloppe de la décroissance de l’amplitude des oscillations pour

en déduire Q. La décroissance est en tQ 2

ω - exp 0

.

Deuxième partie :

On utilisait un deuxième diapason, et il fallait déterminer la différence de fréquence entre les deux diapasons

par une méthode astucieuse.

Eléments de réponse : Il fallait exciter les deux diapasons en même temps. On a additivité des ondes sonores

et de plus, cos p + cos q = 2 cos 2

q p cos

2

q p . Les deux fréquences étant proches, on entend un

phénomène de battement (produit de deux sinusoïdes de fréquences très différentes).

Troisième partie :

On utilisait un multiplieur avec en entrée :

- Un signal sinusoïdal de fréquence 442 Hz, d’amplitude 10 V crête à crête, sur l’une des entrées.

- Le signal sortant du microphone captant le son émis par un diapason excité.

On envoyait ensuite le signal de sortie du multiplieur sur un filtre passe-bas (RC de fréquence de coupure 16

Hz).

On observait enfin le signal de sortie du filtre passe-bas sur un oscilloscope.

Le but de cette partie était de déterminer l’écart de fréquence entre les deux diapasons.

Eléments de réponses : A la sortie du multiplieur, on a la somme de deux signaux sinusoïdaux de fréquences

très différentes car 2 cos a cos b = cos (a + b) + cos (a - b). A la sortie du filtre passe-bas, il n’y a plus que

le signal de faible fréquence.

Commentaires de l’élève :

« On disposait d’un oscilloscope numérique, en raison des mesures à effectuer sur les courbes. On m’a

rappelé que la calculatrice était autorisée. Elle était nécessaire dans la première partie pour faire un ln de

l'exponentielle pour reconnaître une droite car « on ne sait pas reconnaître le reste ! ». Les 2 jurys ont été

très corrects. Comme convenu au départ, ils sont passés 3 fois au total. Le temps alloué est très précis et il

n'y a pas de temps de pause, je conseille donc de bien se préparer pour être à fond tout du long. »

Exemple 4 : 2017 (Cosme DEWE)

Ultrasons : Caractérisation des ondes ultrasonores

Sur toutes les paillasses de la salle, il y avait le même matériel de base. Toutefois, les systèmes étudiés

étaient différents.

Le matériel de base présent sur les paillasses était : oscilloscope numérique, GBF numérique, alimentation

en 6V / 12V. Il fallait par ailleurs aller chercher des câbles, câbles coaxiaux, et des T.

Pour le système que je devais étudier, il y avait de plus :

- 2 émetteurs ultrasons que l’on pouvait positionner à 3 endroits : à gauche du rail, sur le rail ou à droite du

rail (positions notées A, B et C)

- récepteur ultrasons (que l’on pouvait placer à différents endroits sur une grille électrique, et donc

déplacer le récepteur latéralement)

- rail gradué pour déplacer l’émetteur et le récepteur.

Manipulation 1 : Le but de cette manipulation était de caractériser le comportement fréquentiel du couple

émetteur/récepteur d’ondes ultrasonores.

a) Placer l’émetteur et le récepteur à 30 cm l’un de l’autre (les deux en position B, donc sur le rail). Tracer la

réponse fréquentielle du couple émetteur / récepteur (il fallait envoyer un signal sinusoïdal à l’émetteur

grâce au GBF, il n’y avait un signal perceptible qu’au voisinage de 40 kHz).

b) Reconnaitre le filtre associé à cette réponse fréquentielle. Déterminer sa fréquence de résonance et son

facteur de qualité.

c) On envoie un signal triangulaire de fréquence 13,4 kHz dans l’émetteur (on donnait la formule de sa

décomposition en série de Fourier), faire son analyse fréquentielle ainsi que celle du signal reçu par le

récepteur.

Manipulation 2 : Le but de cette manipulation était de déterminer la vitesse de propagation des ondes

ultrasonores.

d) Tracer l’amplitude du signal de sortie ainsi que le déphasage entre le signal en entrée et celui en sortie en

fonction de la distance entre l’émetteur et le récepteur.

Interpréter le résultat et déterminer la vitesse du son.

Manipulation 3 : Le but de cette manipulation était de mettre en évidence des interférences pour les ondes

ultrasonores.

e) On place un premier émetteur en A et un deuxième émetteur en C (alimentés de la même manière). Le

récepteur est placé à 30 cm des émetteurs. Tracer l’amplitude du signal de sortie ainsi que le déphasage

entre le signal en entrée et celui en sortie en fonction de la position du récepteur sur la grille électrique.

Interpréter le résultat.

Il fallait déplacer le récepteur latéralement pour caractériser la figure d’interférences.

Il y avait encore une autre manipulation et 3 autres questions mais je n’ai pas pu les traiter, et je ne me

souviens plus de quoi il s’agissait.

Commentaires de l’élève :

« J’ai perdu beaucoup de temps sur la première question. En fait, je n’arrivais pas à faire fonctionner le

récepteur : il s’agissait en fait d’un passe bande (d’un ordre très élevé) extrêmement sélectif, et si on n’était

pas entre 38 et 42 kHz, on n’observait que du bruit. C’est un examinateur qui a dû me l’expliquer au bout de

3/4 d’heures (je me suis même demandé s’il fallait alimenter le récepteur). Ensuite, j’ai fait comme si c’était

un second ordre pour la question b) pour déterminer Q mais apparemment la relation 0 = Q est vraie pour tous les passe-bandes.

J’ai aussi perdu du temps à me familiariser avec l’oscilloscope et le GBF qui étaient vraiment différents de

ceux dont on dispose au lycée.

Les examinateurs étaient très neutres, et ne posaient pas vraiment de questions en dehors du sujet.

Finalement, je suis un peu déçu de ma prestation. Il n’y avait rien de compliqué, mais sans un coup de

chance, il était impossible de tomber sur la bande passante du filtre (bien sûr, on sait que les ultrasons ont

une fréquence au-dessus de 20 kHz mais avec un GBF qui monte à 10 GHz, c’est vague comme indice…).

Au final, j’ai eu 6 / 20. »

VIII) Exemples de sujets des années antérieures : Electromagnétisme :

Exemple 1 : 2010 (Adrien BRETON), 2010 (Thomas HUMEAU)

Enoncé très incomplet et très peu compréhensible !

Champ magnétique d’induction :

i = 500 mA

1) Effet d’écran :

a) Créer un champ magnétique à l’aide d’un solénoïde.

b) Mesurer avec une sonde le champ magnétique Bsol à l’intérieur du solénoïde.

c) On introduit ensuite un tube conducteur à l’intérieur du solénoïde.

d) On pose sol

totsol

B

B - B α , et on admet que

20 f σ R e μ π 1

1 - 1 α

(e étant l’épaisseur du conducteur, R

le rayon intérieur du tube, 0 la perméabilité magnétique du vide, f la fréquence). Déterminer .

e) Interpréter quand f . Quel est l’intérêt ?

2) Mesure directe de la résistance du tube :

En déduire une méthode pour déterminer (il faut appliquer une tension importante). On nous fournissait des pinces croco.

Autre question dont je ne me souviens plus.

Applications numériques : des incertitudes sur les mesures sont nécessaires.

A savoir : on ne sait reconnaître que les droites, donc pour montrer un phénomène, tracer un ensemble de

points que l’on modélisera par une droite.

Témoignage d’un élève : « L’ensemble du sujet tenait sur une feuille recto, ce qui fut très déstabilisant car il n’y avait aucune explication sur le fonctionnement de la sonde (par observation, on remarquait que c’était

une petite bobine que l’on reliait à l’oscilloscope).

Le jury passait toutes les heures pour voir notre avancement.

Il fallait réaliser la partie théorique sur feuille, ainsi que le graphe de la question 1-d.

Théorie : Calcul de Bsol, de Btot, de emesuré (tension) et expliquer les phénomènes mis en jeu (cela me fut

demandé à l’oral par le jury). »

Témoignage d’un élève : « Le jury était constitué de deux examinateurs qui passaient ensemble pour voir notre avancement. Entre chaque passage, il y avait donc une longue attente, ce qui m’a perturbé, d’autant

plus que je bloquais sur les équations d’électromagnétisme. Cependant, ils étaient plutôt sympathiques,

donc l’ambiance n’était vraiment pas stressante. De plus, ils cherchaient un peu à voir si l’on comprenait ce

que l’on faisait, quelles pourraient être les applications de l’expérience… »

Exemple 2 : 2013 (Cyprien CAROSSO)

Première partie : Etude du montage électrique :

R1 = R2 = 100 kΩ ; R3 à déterminer ; C = 1 µF

1) Donner le régime de fonctionnement du filtre en justifiant la réponse.

2) On suppose l’amplificateur opérationnel idéal. Qu’est-ce que cela implique ?

3) Déterminer la fonction de transfert du filtre H(p) = e

S

v

v et la mettre sous la forme : H(p) =

p τ 1

K

.

Donner l’expression de K et de τ en fonction de R1, R2, R3 et C avec p = j ω.

4) Donner l’allure du diagramme asymptotique du gain et de la phase pour la fonction H(p). On précisera la

ou les fréquence(s) importante(s) et on donnera leur(s) nom(s).

5) Le filtre peut-il avoir un comportement intégrateur ? Si oui, sous quelle(s) condition(s) ?

6) On se place sous la ou les condition(s) énoncée(s) précédemment. Montrer que dans cette ou ces

condition(s), H(p) peut se mettre sous la forme : H(p) = p

G . Donner l’expression de G en fonction de R1,

R2, R3 et C.

7) On veut G = 33. En déduire la valeur de R3.

8) Réaliser le montage précédent et tracer le diagramme de Bode pour le gain et pour la phase. Le candidat

fera attention à avoir des points répartis régulièrement sur la feuille à 2 ou 3 décades choisie.

Deuxième partie : Etude du phénomène d’induction :

Dans des circuits magnétiques, on définit deux grandeurs : B

le champ d’induction magnétique, ou champ

magnétique, et H

le champ d’excitation magnétique. La loi qui relie ces deux grandeurs est la suivante : B

= µ H

, avec µ la perméabilité magnétique du milieu définie à partir de la perméabilité magnétique du vide

et de la perméabilité relative du milieu : µ = µ0 µr.

D = 50 mm

S = 12 mm × 25 mm

N1 = 55 spires

N2 = 10 spires

1) Soit le circuit magnétique torique présenté ci-dessus, de section S, de diamètre moyen D, sur lequel sont

bobinées N1 spires. Cet enroulement est parcouru par un courant I. Le matériau est considéré comme

homogène et isotrope. Montrer que θθ u (r)B B

.

2) Dans le matériau magnétique, le théorème d’Ampère s’écrit de la façon suivante : C enlacésI µ l.dB

. A

l’aide du théorème d’Ampère appliqué sur la ligne moyenne de champ dans le circuit magnétique de

perméabilité µ, donner l’expression de l’excitation magnétique H

en fonction de N1, D et I.

3) Sur le circuit magnétique torique est également enroulé un deuxième bobinage, formant N2 spires. A

partir de la loi de Lenz-Faraday, exprimer la tension v2 induite aux bornes du second enroulement en

fonction de B, N2 et S. On supposera B uniforme sur S. Ce second enroulement est identique au premier, et

permettra de venir mesurer des grandeurs par la suite.

4) Sachant qu’il est possible de mesurer la tension v2, quelle opération doit-on effectuer pour obtenir le

champ magnétique B ?

L’enroulement 1 (bleu) est alimenté par un signal sinusoïdal délivré par un GBF. Le circuit électrique étudié

dans la première partie est connecté à l’enroulement 2 (rouge).

5) D’après la question 4 de la deuxième partie, à quelle fréquence doit-on utiliser le GBF ?

6) En vous aidant de la question 2 de la deuxième partie, proposer une solution pour mesurer l’image de H.

Pour cela, compléter le rectangle vide sur le schéma précédent (« il fallait mettre une résistance de 1 Ω en

bas, comme cela on avait une borne commune avec la masse, on mesurait la tension aux bornes de cette

résistance, c’est-à-dire l’image de I. Cette résistance était déjà branchée sur le tore en-dessous »).

7) Présenter en mode XY la courbe B(H) à l’examinateur. Conclusion.

La courbe obtenue était la suivante :

Exemple 3 : 2015 (Guillaume POMAR)

Induction électromagnétique et capteur de position (énoncé incomplet et approximatif) :

« L’étude portait sur l’induction électromagnétique. On étudiait un dispositif qui permettait de mesurer la

position d’une plaque métallique sur un support dans lequel on faisait passer un courant. Ci-dessous un

schéma du dispositif. Le dispositif était branché à une source de courant et en mesurant la f.e.m. induite, on

pouvait en déduire la position de la plaque métallique sur le dispositif (qui avait donc le rôle de capteur de

position). »

a) Décrire le principe de fonctionnement du capteur de position de la plaque métallique (« ici l’examinateur

m’a posé des questions concernant les équations de Maxwell, la loi de Faraday et la loi de Lenz »).

b) Quelle est la f.e.m. mesurée si la plaque métallique n’est pas posée sur le dispositif (« les deux circuits C1

et C2 étant identiques, la f.e.m. induite est donc nulle si la plaque métallique est absente dans le

montage ») ?

c) Relever la tension dans le circuit en fonction de la position de la plaque métallique.

d) « Je ne me rappelle pas de la suite, mais il fallait également calculer la fonction de transfert d’un filtre à

partir d’un schéma puis le réaliser. »

Commentaires de l’élève :

« L’énoncé du TP que je vous rapporte est incomplet et approximatif, parce que je n’ai pas traité le sujet

en entier et parce que mes souvenirs sont flous. Je suis désolé de vous faire un compte-rendu si

tardivement, car en plus, je ne retrouve pas mes notes et brouillons concernant cette épreuve. J’espère que

ceci vous sera quand même utile. »

« L’examinateur m’a posé beaucoup de questions ne concernant pas directement le sujet, mais portant sur le cours d’électromagnétisme. »

« Dans la salle de TP dans laquelle je passais, j’étais le seul à avoir un sujet portant sur l’induction. D’autres élèves avaient un TP sur l’oscillateur quasi-sinusoïdal à résistance négative, ou bien encore sur

l’oscillateur de relaxation générateur de signaux créneaux et triangulaires. »

Exemple 4 : 2017 (Mélodie HARMANT)

Induction électromagnétique

Commentaires de l’élève :

Le thème de l’induction m’a assez surprise et perturbée, parce qu’en regardant les rapports de jury sur internet, je n’avais pas vu que c’était dans les thèmes qui pouvaient tomber.

Je ne vous ai pas envoyé mon énoncé tout de suite parce que je suis partie directement en vacances, sans

accès à internet. En rentrant, impossible de remettre la main sur le papier sur lequel j’avais noté

l’énoncé… Mes souvenirs sont donc très vagues. Excusez-moi, ce n’est pas très sympa pour les prochains

élèves !

J’ai bien raté mes oraux au vu de mes notes, alors que je n’avais pas trop cette impression. Au final, j’ai eu 8 / 20.

Exemple 5 : 2018 (Arthur LACROIX)

Matériel : Résistances (10 Ω, 100 Ω, 1 kΩ, 10 kΩ et 100 kΩ), un condensateur de capacité inconnue, un

GBF, un oscilloscope numérique, un ALI, les logiciels Regressi et Excel, 2 éprouvettes graduées de 100 mL

et 250 mL, de l’eau distillée, un condensateur cylindrique dans un bécher de 600 mL et un bécher contenant

un volume d’eau inconnu.

I) Capacité du condensateur

1) Etablir un protocole permettant de trouver la capacité du condensateur.

Différentes méthodes sont possibles (détermination de la constante de temps d’un circuit RC en régime

transitoire, équilibrage d’un pont de Maxwell – cf exemple 9 de la partie électronique de ce poly – …).

Mais l’élève ne m’a pas précisé quelle était la méthode à employer…

2) Appliquer ce protocole.

II) Etude du condensateur cylindrique

On dispose d’un condensateur cylindrique placé dans un bécher de 600 mL, d’eau distillée et d’éprouvettes

graduées. La modèle du condensateur cylindrique placé dans un milieu diélectrique donne :

1

2

r0

R

Rln

H ε ε π2 C

où R1 et R2 sont les rayons des armatures du condensateur et H la hauteur d’eau dans le bécher.

3) Verser ~100 mL d’eau dans le bécher contenant le condensateur. Proposer un modèle à ce montage (le

niveau de l’eau n’atteint pas du tout le haut du condensateur).

4) Tracer la capacité du condensateur en fonction du volume versé puis de la hauteur d’eau H (sur papier

millimétré).

5) Le modèle établi à la question 3) est-il vérifié ?

6) Le modèle du condensateur idéal est-il toujours valide dans ce contexte ? Si non, en proposer un nouveau

et mesurer ses paramètres.

III) Mesure d’un volume d’eau

On dispose d’un bécher avec un volume d’eau inconnu.

7) Etablir un protocole pour mesurer ce volume d’eau.

8) Mettre en œuvre ce protocole.

IV) Nouveau montage en utilisant un ALI

Je ne sais plus, car je n’ai pas eu le temps de le traiter.

Commentaires de l’élève :

« Je ne saurai pas du tout m’avancer sur mes résultats. En tout cas, j’ai fait de mon mieux, et je ne pense

pas avoir fait d’erreurs grossières. En discutant un peu avec les autres élèves passés sur le même TP,

personne n’a eu le temps de le finir, voire même certains sont restés bloqués assez vite.

J’ai eu quelques soucis sur la partie II où je trouvais une intensité nulle et donc une capacité nulle quelque

soit le volume d’eau... Sur le moment, l’examinateur n’a pas su me dire pourquoi malgré plusieurs tentatives

de résolution du problème. Finalement, j’ai obtenu un résultat en utilisant la plus grosse résistance possible

afin d’obtenir l’image de l’intensité dans le circuit.

L’examinateur m’a bien aidé en m’expliquant le fonctionnement du matériel et surtout de l’oscilloscope en

détail (mais peu avant l’épreuve : il intervenait surtout pendant l’épreuve à la moindre question sur le

matériel).

Les résistances étaient munies du code couleur que nous avions vu lors des révisions (2 chiffres significatifs,

la puissance de 10 et les incertitudes).

Au final, j’ai eu 12 / 20. »

IX) Exemples de sujets des années antérieures : Thermodynamique :

Exemple 1 : 2018 (Nicolas STUKATOR)

On me fournissait une résistance de 100 , des appareils de mesure (multimètres d’une précision remarquable et un oscilloscope numérique), une alimentation continue et une sonde de température avec

une carte qu’il fallait alimenter (qui amplifiait le signal de sortie de la sonde).

I) Électronique

1) Quels sont les montages équivalents à un ampèremètre et un voltmètre non idéaux ?

2) Proposer deux montages pour mesurer la résistance.

3) Les câbler et mesurer la résistance par les deux méthodes, laquelle semble donner le résultat le plus

juste ?

4) Déterminer les incertitudes sur la mesure de la résistance dans le cas de la méthode la plus juste (j’ai dû

réclamer une notice pour les multimètres pour avoir accès aux données constructeur sur les erreurs).

II) Thermique

La résistance était entourée d’aluminium (l’aluminium avait une forme cylindrique d’une longueur de 2 cm

et de diamètre 0,5 cm environ) dans lequel il y avait un petit trou pour insérer la sonde de température. On

donne l’équation de la tension de sortie de la sonde (avec amplification) en fonction de la température :

V = 0,005 * T (où T est en °C)

1) Mesurer la tension délivrée par la sonde lorsque la résistance n’est pas alimentée

2) La résistance se dégrade rapidement au-delà de 100 °C, quelle est la valeur de tension correspondante

(j’ai confondu avec la tension aux bornes de la résistance, alors je me suis lancé dans de longues

manipulations inutiles).

3) Quels sont les phénomènes thermiques en présence ?

4) Donner un modèle thermique (ou électrique équivalent) du système. Et vérifier les ordres de grandeur (je

n’ai jamais su de quoi, les examinateurs s’étaient assis à leur table quand je suis revenu de la

manipulation sur cette question).

5) Régler l’écran de l’oscilloscope afin d’utiliser la pleine échelle (T ambiante jusqu’à 100 °C) sur une durée

de 500 s (maximum de l’oscilloscope).

6) Appliquer un échelon de tension de 19 V à la résistance et faire le relevé sur 500 s (cette manipulation ne

m’a servi à aucun moment mais l’examinatrice voulait que je la garde en mettant l’oscilloscope en

« pause »).

7) Dans une première phase, on considère l’évolution adiabatique. A partir d’un raisonnement énergétique,

expliquer pourquoi la température de la résistance augmente. On prendra garde à préciser le système

considéré (la réponse était étrangement évidente mais les examinateurs ne passaient plus donc je ne sais

pas si je n’ai pas mal compris). Établir une équation différentielle liant température et courant dans la

résistance (ici l’énoncé devenait très flou).

8) Dans un second temps, on ne peut plus considérer l’évolution adiabatique, quel phénomène faut-il

prendre en compte ? L’intégrer à l’équation précédente (en ajoutant des transferts conducto-convectifs je

me retrouvais avec quelque chose de non linéaire. En plus l’énoncé semblait suggérer de se placer en

régime permanent, ce qui est bien idiot au vu de la suite).

9) Trouver le temps pendant lequel on peut appliquer un courant i sans dépasser 100 °C (je pense qu’il

fallait résoudre l’équation différentielle. J’ai établi plusieurs équations différentielles en changeant le

système de départ mais lorsque le raisonnement semblait juste, l’équation différentielle n’était pas

linéaire. Je me suis contenté de garder celle-là, puisqu’elle possédait des solutions connues

mathématiquement).

10) Une ou deux autres questions, mais je ne m’en souviens plus.

11) On recommence la manipulation et les équations avec un radiateur sur l’aluminium de la résistance

(personne ne l’a fait dans la salle).

12) Que se passe-t-il si la résistance de transfert entre l’aluminium et le radiateur est limitée ? (cette question

est retranscrite mot pour mot parce que je l’ai relue souvent en essayant de comprendre pourquoi

l’énoncé précisait limitée, au lieu de grande (auquel cas il aurait fallu la prendre en compte), alors

qu’elle a été négligée presque explicitement dans la question d’avant)).

Commentaires de l’élève :

« J’ai supprimé par inadvertance le fichier original sur lequel j’avais enregistré le compte-rendu que

j’avais fait le soir du passage, mon énoncé risque d’être très flou, notamment sur la fin. L’énoncé du TP

n’était pas très clair et pas très précis à l’origine, et je n’ai pas vraiment traité la fin parce que je ne

comprenais pas.

Ce que je vous restitue est beaucoup plus détaillé que l’original. Pour la fin de l’énoncé, je vous ai envoyé

ce que j’ai cru comprendre et qui n’était sûrement pas ce qui était demandé puisque je n’aboutissais pas à

un résultat cohérent.

Les examinateurs ont arrêté de nous aider à la moitié de la séance.

Dans ma salle se trouvaient 8 postes avec 2 TP différents, il y avait un examinateur par ensemble de 4

candidats ayant des TP identiques.

Les examinateurs insistaient fortement au début sur le fait qu’il fallait les appeler immédiatement en cas de

problème avec le matériel, puisque ce n’était pas le but de l’évaluation. Pour les problèmes de

compréhension par contre, personne n’osait appeler les examinateurs lorsque ceux-ci ont arrêté de passer

(alors qu’on était presque tous bloqués).

Bon courage pour reconstituer un énoncé cohérent avec ce que j’ai fourni.

Au final, j’ai eu 11 / 20. »