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PT 2023-2024 Pour le jeudi 05-10-2023

DEVOIR LIBRE n° 1

L’usage de calculatrices est interdit pour les 1 er, 2ème, 3ème et 4ème problèmes, et autorisé pour le 5ème
problème.

PREMIER PROBLEME : L’électronique au service du microscope (d’après banque PT 2017)

L’usage de calculatrices est interdit pour ce problème.

Le microscope électronique nécessite un générateur de balayage qui commande le déflecteur


électromagnétique, et qui sert également à synchroniser l’affichage de l’image sur un écran cathodique. Par
ailleurs, on utilise souvent un capteur C.C.D. pour transformer un signal lumineux en signal électrique.

Dans ce problème, aucune connaissance préalable sur les diodes ou photodiodes n’est nécessaire.

1. Générateur de balayage

Le générateur de balayage délivre un signal en rampes. On propose le montage de la figure 10 suivante


pour la réalisation de ce signal.

Les amplificateurs linéaires intégrés (A.L.I.) sont supposés idéaux. Ils sont alimentés par des tensions
continues  V0 avec V0 = 15 V, et on suppose que leur tension de saturation est : Vsat = V0.

Les diodes D1 et D2 sont des interrupteurs commandés par la tension ve :

Si ve > 0 D1 est fermé et D2 est ouvert.


Si ve < 0 D1 est ouvert et D2 est fermé.

1.1. Que peut-on dire des courants d’entrée et du gain d’un A.L.I. idéal ?

1.2. Justifier que l’un des deux A.L.I. fonctionne nécessairement en régime de saturation.
1.3. On observe expérimentalement, pour la
tension u(t), l’oscillogramme de la figure 11 ci-
contre.

Echelle horizontale : 1 ms/division


Echelle verticale : 1 V/division

Justifier que l’autre A.L.I. fonctionne en régime


linéaire.

1.4. On suppose qu’à l’instant initial t = 0, le spot de l’oscilloscope est au point central de l’écran (u(0) =
0), le condensateur étant déchargé, et que ve = + V0. Exprimer u(t) pour t  0.

1.5. Pour l’A.L.I. 2, exprimer V+ en fonction de u et vs, puis en déduire l’instant t1 où se produit le
basculement vers la tension vs = - V0.

1.6. Pourquoi la tension u(t) ne peut-elle pas subir de discontinuité ?

1.7. Pout t  t1, exprimer u(t) puis déterminer l’instant t2 où la tension u s’annule à nouveau.

1.8. En s’aidant de l’oscillogramme et en utilisant les résultats précédents, déduire :

1.8.1. L’expression de la période T de la tension u en fonction de R 1, R2, R3, R4 et C.

1.8.2. Les valeurs de R1, R2, R3 en k, sachant que C = 1 µF et R4 = 1 k.

2. Le capteur C.C.D.

Le capteur C.C.D. est constitué de 1024


photodiodes.
Une photodiode est un dipôle dont la
caractéristique dépend de l’éclairement E.
On donne sur la figure 12 ci-contre la
représentation du dipôle, ainsi que le réseau de ses
caractéristiques courant-tension pour différentes
valeurs de l’éclairement E.
Le graphe est divisé en 3 cadrans selon les signes
de u et i.

2.1. En l’absence d’éclairement, le courant ne passe dans la photodiode que lorsque u est supérieur à une
tension seuil us. Quelle est la valeur de us ?

2.2. Dans quel(s) cadran(s) le composant se comporte-t-il comme un dipôle récepteur ou comme un dipôle
générateur ?

2.3. La photodiode est insérée dans le montage de la figure 13 dans lequel le générateur, supposé parfait,
délivre une tension continue et positive U0.
Le luxmètre mesure l’éclairement E = E 1  1000 lux indiqué sur le réseau de caractéristiques.

2.3.1. Dans quel cadran se trouve le point de fonctionnement de la photodiode ?

2.3.2. Montrer que la tension U1 aux bornes de la résistance R est proportionnelle à l’éclairement E, soit :
U1 = k.E. On donnera un ordre de grandeur de la constante k, sachant que R = 1 k.

2.4. Pour amplifier cette tension U1, on envisage


le montage ci-contre (Figure 14) comprenant un
A.L.I. supposé idéal et fonctionnant en régime
linéaire.

Montrer que U2 = K.E où K est une constante à


exprimer en fonction de k, R1, R2.

Comment choisir R1 et R2 pour avoir K = 1 ?


DEUXIEME PROBLEME : Retard introduit par un filtre passe-bas d’ordre 2

L’usage de calculatrices est interdit pour ce problème.

Soit un filtre passe-bas de fonction de transfert :


−1
𝐻=
1 − 𝑥 2 + 𝑗 𝑥 √2
𝜔
avec 𝑥 = 𝜔 (𝜔0 = 10 000 rad.s ). -1
0

1) Montrer que la phase 𝜑(𝜔) de la fonction de transfert peut se mettre, pour 𝜔 très petit devant 𝜔0 , sous
la forme : 𝜑(𝜔) = 𝜋 − 𝐾 𝜔, où 𝐾 est une constante à déterminer.

2) On donne la décomposition en série de Fourier du signal créneau de période 𝑇 représenté ci-après :


𝐸0 2 𝐸0 (−1)𝑝 2𝜋(2𝑝 + 1)𝑡
( )
𝐸 𝑡 = + ∑ 𝑐𝑜𝑠 ( )
2 𝜋 (2𝑝 + 1) 𝑇
𝑝=0

E(t)

E0

t
-T/4 T/4 3T/4 5T/4

Ce signal ne contient donc que des harmoniques de rang impair, et l’amplitude des harmoniques décroit
1
en 2𝑝+1.
Ajouter deux commentaires relatifs à ce développement en série de Fourier.

2𝜋
3) On donne 𝑇 = 𝜔
avec 𝜔 = 100 rad.s-1.

On considérera que les signaux peuvent être assimilés à leurs six premiers harmoniques non nuls.

Donner la décomposition en série de Fourier du signal de sortie 𝑆(𝑡) obtenu après filtrage du signal 𝐸 (𝑡)
par le filtre passe-bas.

Montrer que les seuls effets du filtrage consistent en l’inversion du signal et en l’introduction d’un retard
𝜏 entre l’entrée et la sortie que l’on exprimera et que l’on calculera numériquement.
TROISIEME PROBLEME : Prévention des conséquences des séismes – Principe d’un sismographe
(d’après banque PT 2023)

L’usage de calculatrices est interdit pour ce problème.

L’Islande est un état insulaire avec une activité volcanique importante. L’utilisation de ces propriétés
volcaniques lui permet d’être un pays « vertueux » : l’électricité est à 100 % produite à partir de sources
renouvelables et la géothermie a remplacé les énergies fossiles en procurant le chauffage de 90 % des
bâtiments, piscines ou serres agricoles.

Les centrales géothermiques ont un inconvénient : il semblerait que les forages en profondeur perturbent le
milieu et engendrent des séismes dont l’hypocentre serait proche de la zone de forage de l’eau chaude en
profondeur.

Des stations sont équipées de sismographes moins pour prévenir des risques dans ce pays peu peuplé que
pour étudier justement les conséquences éventuelles des forages et aussi l’activité sismique au voisinage de
la faille.

Pour mesurer vraiment le mouvement sismique du sol, il faut une batterie de 3 sismographes, un vertical et
deux horizontaux. Nous allons nous intéresser au seul sismomètre vertical (figures 9).

Entre A et P : Ressort de raideur 𝑘 et de longueur à vide 𝐿0

Figures 9 : sismographe

La verticale 𝑂𝑧 est orientée vers le bas et le champ de pesanteur noté 𝑔⃗ = 𝑔0 ⃗⃗⃗⃗.


𝑒𝑧 Le référentiel terrestre est
supposé galiléen.

On étudie le mouvement vertical d’un point matériel P, de masse 𝑀, lié à un ressort linéaire vertical de
raideur 𝑘 = 𝑀20 et de longueur à vide 𝐿0 . On note 𝐿(𝑡) la longueur instantanée du ressort. L’autre
extrémité du ressort est fixée en A à un plateau horizontal  qui peut subir un mouvement de translation
verticale.

𝑑𝐿(𝑡)
Le point P est soumis de plus à une force de frottement fluide suivant une loi de la forme 𝑓⃗ = −2𝑀 𝑒𝑧
⃗⃗⃗⃗.
𝑑𝑡
Le plateau  est supposé immobile :

1) Que vaut la longueur 𝐿é𝑞 du ressort à l’équilibre (fig 9a) ?

2) Le point P étant en mouvement (fig 9b), établir l’équation différentielle à laquelle obéit 𝑍(𝑡) = 𝐿(𝑡) −
𝐿é𝑞 .

3) A quelle valeur du coefficient de frottement  correspond le régime critique ? Exprimer alors la forme
générale de la solution sans chercher à déterminer les valeurs des constantes liées aux conditions
initiales.

4) Tracer l’allure de 𝑍(𝑡) correspondant au régime critique dans le cas 𝑍(𝑡 = 0) = 𝑑 et 𝑍̇(𝑡 = 0) = 0.

On suppose que le plan  est animé d’un mouvement forcé harmonique 𝑧(𝑡) = 𝑧𝑚 𝑐𝑜𝑠(𝑡) =
𝑅𝑒 (𝑧 (𝑡) = 𝑧𝑚 𝑒𝑥𝑝(𝑖𝑡)) (fig 9c) en notant 𝑖 le nombre imaginaire pur tel que 𝑖 2 = −1.

5) Etablir en utilisant les grandeurs complexes l’expression de l’amplitude complexe 𝐴𝑚 de 𝑍(𝑡) = 𝐿(𝑡) −
0 0
𝐿é𝑞 = 𝐴𝑚 𝑒𝑥𝑝(𝑖𝑡) en fonction de 𝑧𝑚, 𝑟 = et 𝑄 = .
 2
Que devient cette expression pour le régime critique de pulsation 0 ?

6) Montrer qu’il existe une valeur minimale du facteur de qualité 𝑄 à partir de laquelle l’amplitude réelle
𝐴𝑚 du signal passe par un maximum pour une pulsation donnée que l’on calculera. Préciser, pour un
facteur de qualité 𝑄 très grand, les expressions de la pulsation correspondante et de l’amplitude.
𝐴𝑚
7) Etablir les comportements à haute fréquence et à basse fréquence du filtre 𝐻 (𝑖) = . Justifier que le
𝑧𝑚
diagramme de Bode a l’allure représentée en figure 10.

8) On veut que le sismographe suive au plus près les mouvements sismiques verticaux du lieu (proche du
forage donc de l’épicentre) où on l’a placé. On sait par des expériences antérieures que le spectre du
déplacement du sol est dans le domaine allant de 1 à 2 . Comment devra-t-on choisir 0 ?

Figure 10 : diagramme de Bode



Représentation du gain en dB en fonction de 𝑥 = (en échelle logarithmique)
0
QUATRIEME PROBLEME : Propriétés mécaniques de l’ADN (d’après banque PT 2023)

L’usage de calculatrices est interdit pour ce problème.

Lors de la réalisation d’un test PCR (Polymerase Chain Reaction), une portion d’ADN double brin est
copiée (amplifiée) un très grand nombre de fois par une enzyme (la polymérase).
Toutes les séquences d’ADN double brin ne sont pas éligibles pour cette méthode. Les propriétés physiques
de l’ADN dépendent de la séquence de paires de bases (nommées G, T, A ou C) et si la séquence que l’on
souhaite copier donne lieu à un objet trop rigide le cheminement de la polymérase le long du morceau
d’ADN risque de ne pas se dérouler correctement.
Ce sujet propose d’aborder les méthodes utilisées pour essayer de prédire ainsi que de mesurer une partie
des propriétés mécaniques de l’ADN.

Figure 1 : Double hélice d’ADN. Chaque brin est constitué d’une séquence de paires de bases reliées par
des liaisons covalentes (en gris). Les deux brins sont reliés par des liaisons hydrogène (en pointillé) qui
sont moins résistantes que les liaisons covalentes.

Partie I : modèle naïf de l’élasticité de brins d’ADN courts (< 30 paires de


bases)
On modélise d’abord un simple brin d’ADN pour une succession de bases reliées par des ressorts.

Figure 2 : Une portion d’un simple brin d’ADN (ici « G-C-C ») est modélisée par une succession de
deux ressorts.

On repère le déplacement de 𝐴 par rapport à sa position d’équilibre par 𝑥1 , et le déplacement de 𝐵 par


rapport à l’équilibre par 𝑥2 . On pourra considérer que la longueur à vide de ces ressorts est la longueur qui
sépare les points 𝐴 et 𝐵 lorsqu’ils sont à l’équilibre, on note cette longueur 𝑙0 . La raideur d’une liaison
covalente G-C est notée 𝑘1 et celle d’une liaison C-C est notée 𝑘2 . Dans tout l’énoncé, les effets de la
gravité sont négligés.
1) Les deux points (𝐴 et 𝐵) sont déplacés de leur position au repos. Faire l’inventaire des forces qui
s’exercent sur le point 𝐴. Donner leur expression vectorielle. Faire de même pour le point 𝐵. Donner
vos réponses en fonction de 𝑥1 , 𝑥2 et des paramètres de l’énoncé.

On tire sur le point 𝐵 avec une force ⃗⃗⃗⃗


𝐹0 = 𝐹0 𝑢
⃗⃗⃗⃗⃗
𝑥 jusqu’à ce que l’ensemble se retrouve dans une nouvelle
position d’équilibre.

2) Montrer que tout se passe comme si le point 𝐵 était attaché à l’origine via un unique ressort dont on
donnera la raideur.

On suppose que les liaisons covalentes qui relient une paire de bases (par exemple G-G, G-C, T-A, etc) ont
toutes une raideur équivalente identique. Dans l’exemple de la figure 2, cela signifie que 𝑘1 = 𝑘2 = 𝑘.

3) Quelle est la raideur d’un brin de séquence : GCTGAGG ?

Un double brin d’ADN est en fait une succession de « paires de bases ». Chaque base est reliée à une base
complémentaire (G avec C, T avec A) via des liaisons hydrogène :

Figure 3 : Schématisation d’un morceau d’ADN double brin.

On néglige l’effet des liaisons hydrogène qui relient deux bases opposées. On tire sur une extrémité du
double brin, l’autre restant attachée.

4) Quelle est la raideur d’un double brin constitué de 7 paires de bases, exprimée en fonction de 𝑘 ?

Figure 4 : Force de rappel (en pN) versus extension (allongement relatif) d’un morceau d’ADN double
brin. [D’après Caron et al., « DNA : an extensible molecule »].
5) Sur quel domaine d’extension le modèle proposé ci-dessus semble-t-il valide ?

6) Sachant que la longueur à vide de séparation entre deux paires de bases est de l’ordre de 3 pm, donner
un ordre de grandeur de 𝑘, la raideur d’une unique liaison covalente.

Partie II : élasticité d’un long brin d’ADN (> 200 paires de bases)

Ce modèle devient inapproprié pour les longues molécules d’ADN. La flexibilité de celui-ci fait qu’on peut
le considérer comme une chaîne de bâtonnets rigides, chaque bâtonnet ayant une centaine de paires de bases
de longueur environ.

Les forces dites « entropiques » dues aux collisions avec les molécules environnantes (typiquement, des
molécules d’eau) font que, en pratique, on observe, pour un brin d’ADN dont les deux extrémités sont
séparées d’une distance 𝑥, une énergie potentielle :

1 𝑥2
( )
𝑈 𝑥 = 𝑈0 + 𝑘′ 2
2 〈𝑟 〉

où 𝑘 ′ = 3𝑘𝑏 𝑇 est une constante qui dépend uniquement de la température, et 〈𝑟 2 〉 est décrit plus bas. Le
brin d’ADN est modélisé comme une chaine de petits fragments rigides de longueur 𝑎 ≈ 30 nm.

Figure 5 : Modélisation d’un long morceau d’ADN sous la forme d’une chaîne de bâtonnets.

On appelle ⃗𝑟⃗𝑖 le vecteur déplacement associé au fragment 𝑖. On considère la direction des bâtonnets comme
indépendantes les unes des autres, c’est-à-dire que l’angle 𝑖,𝑗 formé par les vecteurs ⃗𝑟⃗𝑖 et ⃗𝑟⃗𝑗 est aléatoire,
réparti uniformément entre 0 et 2, si 𝑖 ≠ 𝑗.

7) Quelle est la valeur moyenne 〈⃗𝑟⃗.𝑖 ⃗𝑟⃗𝑗〉 du produit scalaire ⃗𝑟⃗.𝑖 ⃗𝑟⃗𝑗 lorsque 𝑖 ≠ 𝑗 ?

8) Quelle est, dans ce cas, la valeur moyenne 〈𝑟⃗〉 de 𝑟⃗ = ∑𝑁


𝑖=1 ⃗𝑟⃗𝑖 ? Même question pour la valeur moyenne
〈𝑟 2 〉 de 𝑟 2 = 𝑟⃗. 𝑟⃗.

9) En envisageant une déformation unidimensionnelle, en déduire l’expression de la force élastique exercée


par un brin d’ADN de longueur totale 𝐿 = 𝑁𝑎, et dont les extrémités sont séparées de 𝑥. Donner votre
réponse en fonction de 𝑘𝑏 , 𝑇, 𝑎, 𝑥 et 𝐿.
CINQUIEME PROBLEME : Equilibre d’une atmosphère non isotherme

L’usage de calculatrices est autorisé pour ce problème.

L’air de la troposphère (partie de l’atmosphère dans laquelle nous vivons) est considéré comme un gaz
parfait de masse molaire M. On suppose le champ de pesanteur uniforme et l’atmosphère au repos. Au
niveau du sol (altitude z = 0), la pression est P0 et la température T0.

dP
1) Etablir la relation fondamentale de la statique des fluides, liant , la masse volumique  et
dz
l’accélération de la pesanteur g.

2) On suppose que la température de l’atmosphère est uniforme. Etablir la loi de variation de la pression en
fonction de l’altitude z. On introduira une hauteur caractéristique H du phénomène.

z0
3) On suppose maintenant que la température de l’air varie avec l’altitude z selon la loi T(z)  T0
z  z0
(où z0 est une constante). Déterminer la loi de variation de la pression avec l’altitude z.

4) Calculer, pour les deux modèles, la pression au sommet de l’Everest (8850 m).

5) Pour z << H, montrer que les résultats obtenus à l’aide des deux modèles précédents conduisent à une
même fonction affine P(z) donnant la pression en fonction de l’altitude.

Données : R = 8,314 J.K-1.mol-1, M = 29 g.mol-1, g = 9,8 m.s-2, P0 = 1,0 bar, T0 = 300 K et le « gradient de
température » au niveau du sol a pour valeur – 7,5 K.km-1.

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