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A 2006 PHYS. I MP ÉCOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSÉES, ÉCOLES NATIONALES SUP

A 2006 PHYS. I MP ÉCOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSÉES, ÉCOLES NATIONALES SUPÉRIEURES DE L'AÉRONAUTIQUE ET DE L'ESPACE, DE TECHNIQUES AVANCÉES, DES TÉLÉCOMMUNICATIONS, DES MINES DE PARIS, DES MINES DE SAINT-ÉTIENNE, DES MINES DE NANCY, DES TÉLÉCOMMUNICATIONS DE BRETAGNE, ÉCOLE POLYTECHNIQUE (FILIÈRE TSI) CONCOURS D'ADMISSION 2006 PREMIERE ÉPREUVE DE PHYSIQUE Filière MP (Durée de l'épreuve : 3 heures) L’usage de la calculette est autorisé Sujet mis à disposition des concours : ENSAE (Statistique), ENSTIM, INT, TPE-EIVP, Cycle international Les candidats sont priés de mentionner de façon apparente sur la première page de la copie : PHYSIQUE I -MP L'énoncé de cette épreuve comporte 9 pages. • Si, au cours de l’épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d’énoncé, il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu’il est amené à prendre. • Il ne faudra pas hésiter à formuler les commentaires (incluant des considérations numériques qui vous semble- ront pertinents. Le barème tiendra compte de ces initiatives ainsi que des qualités de rédaction de la copie. ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES : MORCEAUX CHOISIS L’épreuve est constituée de deux parties indépendantes ; elle concerne d’abord la propagation d’ondes électromagnétiques dans une fibre optique (domaine infrarouge proche), ensuite la pro- duction de rayonnement électromagnétique par une antenne ou par un réseau d’antennes (micro-ondes, de fréquences comprises entre 300 MHz et 300 GHz environ). Dans tout le problème, exprimer signifie donner l’expression littérale et calculer signifie donner la valeur numérique. Données générales : 0 ε permittivité diélectrique du vide, 12 1 0 8,84 10 F.m ε − − ≈ × 0 µ perméabilité magnétique du vide, 7 1 6 1 0 4 10 H.m 1,26 10 H.m µ π − − − − = × ≈ × c vitesse de la lumière dans le vide, 8 1 3 10 m.s c − ≈ × ( ) 2 0 0 1 c ε µ = . Préliminaire 1 – Quelle est, exprimée en longueur d’onde, la bande spectrale des micro-ondes ? Quel phy- Propagation des ondes électromagnétiques sicien fut le premier à produire expérimentalement et détecter des ondes électromagnétiques de fréquence de l’ordre du GHz, en 1887, confirmant ainsi la théorie de J. C. Maxwell ? À quel domaine de longueur d’ondes le rayonnement proche infrarouge appartient-il ? I – Guidage par fibre optique On considère (Fig. 1) un guide d’ondes diélectrique constitué de deux cylindres concentriques de section circulaire, et constitués l’un et l’autre de matériau isolant (la silice). L’indice de réfraction de la partie centrale, appelée cœur, est noté 1 n (cet indice n’est pas nécessairement uniforme) ; l’indice de la partie périphérique, appelée gaine, est noté 2 n , avec 2 1 n n < ; l’indice de gaine est uniforme. Le milieu extérieur est l’air, assimilé au vide et donc d’indice égal à 1. On note f la fréquence des ondes, ω leur pulsation et c f λ = leur longueur d’onde dans le vide. I – 1 Fibre optique à saut d’indice Dans une fibre à saut d’indice, le cœur (de diamè- tre a ) et la gaine sont des milieux homogènes : 1 n et 2 n sont uniformes. On note z la direction géné- rale de propagation (Fig. 2). 2 – Montrer que le rayon lumineux est guidé dans le cœur (c’est-à-dire qu’il n’en sort pas) si θ est supérieur à une certaine valeur, , L θ que l’on exprimera en fonction de 1 n et de 2 n . Calculer L θ pour une fibre d’indice de cœur 1 1,456 n = entourée d’une gaine d’indice 2 1,410 n = . 3 – On note i l’angle d’entrée du rayon à l’extérieur de la fibre (Fig. 2). Exprimer, en fonc- tion de 1 2 n n ∆= − ( ) 2 n ∆<< et 1, n la valeur maximale de i (notée max i ) pour que le guidage soit assuré dans la fibre. Calculer ( ) max sin i (appelée ouverture numérique). Introduction aux questions 4 à 8 La condition L θ θ > est nécessaire mais non suffisante pour rendre compte du détail de la propagation dans la fibre. Anticipons sur les résultats de l’approche ondulatoire en introduisant, de manière empirique à ce stade, une phase associée aux rayons1 : les ondes planes associées aux 1 Des travaux relativement récents justifient cette procédure, qui semble paradoxale. PhysiqueI année 2006 ; filière MP rayons totalement réfléchis interfèrent. Seuls certains angles d'inclinaison satisfont une condition de phase qui construit une interférence identique tout le long de l'axe de propagation ; ils correspondent aux modes guidés. Considérons (Fig. 3) la direction de propagation parallèle à AB et à CD et le plan d’onde ( ) π relatif à cette direction. Pour qu’il y ait propaga- tion, il faut que les champs correspondant à cette direction soient en phase. 4 – On ne tient pas compte de l’éventuel déphasage introduit par la réflexion sur l’interface cœur/gaine. Montrer alors que le déphasage ϕ entre l’amplitude de l’onde en P et l’onde en P´ s’exprime par ( ) 1 0 4 cos . a n ϕ π θ λ = 5 – En déduire l’existence de modes de propagation, valeurs discrètes de θ notées m θ où m est un entier, pour lesquelles la propagation est possible. Exprimer le nombre M N de modes possibles, en fonction de 1 n , 2 n , a et λ . L’entier m est appelé l’ordre du mode. 6 – Le diamètre de cœur a étant donné, démontrer l’existence d’une fréquence de coupure pour le mode d’ordre . m Préciser le comportement fréquentiel du dispositif. 7 – Le mode fondamental correspond, par définition, à 0. m = Exprimer, puis calculer pour 6 1,5 10 m λ − = × la valeur maximale que peut prendre a pour que seul ce mode se propage. On dit alors que la fibre est monomode. 8 – Soit L la longueur de la fibre. Exprimer la différence T ∆ de temps de parcours de l’entrée à la sortie, entre le trajet de durée minimale ( ) 0 θ = et le trajet maximal ( ) L θ θ = . Donner l’expression approchée de T ∆ en fonction seulement de , L ∆ et c . On convient que le débit maximal de la fibre, saut max, R est l’inverse de T ∆ . Calculer saut max R (bits par seconde). Introduction à la partie I – 2 Dans les fibres optiques utilisées en télécommunications, un mes- sage (Fig. 4) est constitué d'une succession de signaux (on dit quelquefois impulsions) binaires (présence, [ ] 0 ou absence [ ] 1 ) de durée égale, . δ Le débit numérique maximal, exprimé en signaux par seconde, est alors saut.ind max 1 R δ = . Divers phénomènes distordent les impulsions qui se propagent, ce qui entrave la reconstitution de l’information. On améliore la situation en utilisant une fibre dite à gradient d’indice. L’indice de réfraction est continu à Propagation des ondes électromagnétiques l’intérieur de ce genre de fibre1 ; il varie dans le cœur avec la distance r à l’axe Oz et il est constant dans la gaine ( ), r a ≥ avec la valeur 2. n L’indice dans le cœur (Fig. 5), est modélisé, pour 0 , r a ≤ ≤ par 2 2 1 2 1 2 1 ( ) 1 n n r n r n F n a − ⎛ ⎞ = − ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ , où F est monotone croissante sur [ ] 0,1 , avec ( ) 0 0 F = . I – 2 Fibre optique à gradient d’indice 9 – On admet que la loi de Descartes est applicable de proche en proche, c’est-à-dire que ( ) ( ) sin n r r θ ⎡ ⎤ ⎣ ⎦ est constant. Un rayon lumineux entre dans la fibre au centre de la face d’entrée, avec un angle externe d’incidence i ; il se dirige à l’intérieur de la fibre vers les r croissant avec un angle interne 0 θ au point ( 0 z + = , 0 r = ), de sorte que ( ) ( ) 1 0. sin cos i n θ = . Montrer que ce rayon se propage dans un plan et que l’équation différentielle donnant sa trajectoire dans la fibre s’écrit 2 2 2 2 1 d ( ) 1 d sin o r n r z n θ ⎛ ⎞ + = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ [1]. 10 – Quelle est la valeur de ( ) 1 F ? Retrouver l’expression de l’ouverture numérique (cf. question 3), à partir de l’équation différentielle [1] et de l’expression générale de l’indice. 11 – En considérant le portrait de phase associé à [1], montrer que la tra- jectoire des rayons, ( ), r z est une fonction périodique de . z uploads/s3/ physique-mp1-2006 1 .pdf