L3 Physique

Dans un première moitié de cours, on présente les enjeux environnementaux à la fois de façon systémique à travers la notion d'anthropocène (climat, énergie, pollutions,...) et la prise en compte de défis sociétaux mais aussi à travers l'exemple de la physique du bâtiment et à l’échelle urbaine : construction bioclimatique, considérations thermiques au niveau d’un immeuble ou d’une ville.

La seconde moitié est dédiée à la réalisation d'un projet étudiant – bibliographique, de modélisation, expérimental – autour de ces thématiques.

Descriptif du cours Les sciences du patrimoine visent à apporter des connaissances aux restaurateurs du patrimoine, aux conservateurs et aux historiens de l’art sur les objets patrimoniaux. Ces connaissances sont rendues possibles par l’analyse de la nature des matériaux, de leur âge, ainsi que de leur état de conservation. L’imagerie scientifique occupe aujourd’hui une place centrale dans ces analyses car elle fait le pont entre l’appréciation visuelle de l’objet et des éléments liés à l’analyse scientifique. Conçu sur le mode binaire, avec un apport théorique et des séances pratiques, cet enseignement propose d’aborder les problématiques de recherche du domaine de l’optique par un prisme innovant, en le confrontant à celles de l’art et à la rencontre avec la pratique d’une artiste. Parallèlement aux heures d’enseignement à l’Université, plusieurs visites de laboratoires de recherche experts dans le domaine des sciences du patrimoine seront proposées aux étudiants. Ces sorties occasionneront la rencontre avec des physiciens dans leur environnement de recherche, ainsi que la découverte d’équipements et d’outils spécifiques à la production de cette imagerie scientifique. En croisant l’expérience artistique et l’expérience scientifique, la volonté de ce nouvel enseignement est d’éveiller les étudiants aux enjeux que posent la production et l’analyse d’une image. Comment s’exerce notre perception de l’image quand on la déplace de son champ de lecture ordinaire ? Quand d’objet témoin d’un phénomène ou d’un fait scientifique, elle devient source potentielle de récits artistiques en convoquant l’imaginaire de ceux qui l’utilisent et la manient ? Déplacer son regard, percevoir la pluralité des significations et des occurrences d’une image, voici ce que les étudiants seront amenés à expérimenter durant les 12 séances de l’enseignement, avec pour aboutissement la création d’une œuvre collective, conçue et fabriquée avec l’artiste. Cet enseignement repose sur un binôme physicien-artiste qui conçoit l’enseignement de bout en bout afin de s’assurer de sa pertinence et de sa qualité sur les deux volets disciplinaires. Objectifs d’apprentissage A l’issue de cet enseignement, les étudiants seront capables :

D’expliquer le principe physique des différentes techniques d’imagerie scientifique présentées, de les comparer et d’interpréter les images scientifiques obtenues,
D’expliquer et d’identifier les différents éléments clé qui interviennent dans l’apparence visuelle d’une oeuvre,
D’utiliser une ou plusieurs images pour en produire une oeuvre,
De témoigner à travers différents supports (oral, écrit, dessins ou autre production) de son cheminement dans son appropriation de l’imagerie scientifique : de la technique à l’œuvre artistique.

Déroulé L’enchaînement des différentes séances n’est pas encore précisément (condition sanitaire, disponibilité des lieux et des personnes). Ce contenu peut être amené à évoluer. Cet enseignement comporte 12 séances de 2h chacun (sauf pour l’atelier collectif) :

1 projection des oeuvres de Mathilde Lavenne, suivi d’un échange avec l’artiste (date et lieu à confirmer)
1 visite du Centre Pompidou autour d’oeuvres choisies, par un binôme constitué d’un conférencier et d’un chercheur en optique (Gaël Latour)
3 visites de laboratoires ayant une activité de recherche autour des sciences du patrimoine avec un accueil des chercheurs dédiés à ces thématiques :
o IPANEMA et le synchrotron Soleil (Saint –Aubin)
o Centre de Recherche sur la Conservation des Collections (Museum National d’Histoire Naturelle de Paris, Paris)
o Laboratoire d’Optique et Biosciences (Ecole Polytechnique, Palaiseau)
5 séances de cours à l’université
1 séance d’atelier de création collaborative d’une journée complète un samedi (date et lieu à confirmer, mois de mars)
1 séance de présentation des oeuvres et de leurs réflexions autour de l’imagerie scientifique tout au long du semestre (dernière séance)

Fonctionnement et déroulé des séances Les étudiants devront être actifs tout au long des séances de cet enseignement. Il leur sera demandé de consigner dans un carnet de bord leurs apprentissages ainsi que leurs questionnements et leurs réflexions autour de l’imagerie scientifique et de son utilisation pour la production artistique. Une activité pourra être demandée d’une séance à l’autre afin de s’assurer de la posture active et dynamique des étudiants et de garantir le cheminement de chacun.e en vue de la production d’un objet artistique. La production artistique se fera au sein par groupes de 3 étudiants. Les étudiants devront se rendre disponible une journée complète un samedi du mois de mars (production artistique), cette séance fait partie intégrante de l’enseignement. Evaluation L’évaluation est sous forme de contrôle continu. Elle sera basée sur les éléments suivants :

Des traces (production d’écrits, de schémas, de dessins) seront demandées aux étudiants tout au long du semestre, certaines de ces activités sont évaluées,
Présentation des oeuvres des étudiants accompagnées d’un oral qui présentera les images utilisées (la technique, les principes physiques présentés durant les cours) et leur utilisation pour une production artistique (dernière séance).

Dans l’état solide, les matériaux présentent une grande diversité de propriétés physiques : électriques, magnétiques, thermiques, optiques, etc… Nous essaierons de comprendre pourquoi en introduisant quelques modèles de base pour les propriétés les plus importantes, telle que la conduction électrique dans les métaux ou dans les semiconducteurs, le magnétisme ou encore les propriétés thermiques des solides. On expliquera les idées physiques et les modèles pour les transitions de phase magnétiques et de transition supraconductrice. On discutera quelques-unes des nouvelles propriétés liées à la miniaturisation et la nanotechnologie. Dans ce cours introductif on présentera des calculs simples de manière à rester aussi quantitatif que possible, tout en mettant l’accent sur les idées physiques. Des connaissances de physique statistique et de mécanique quantique seront requises.

Les postulats de la Relativité et leurs conséquences : temps, espace et relativité – Les postulats d’Einstein – Dilatation des temps et contraction des longueurs – La transformation de Lorentz : simultanéité et causalité. L’espace-temps : diagrammes d’espace-temps et applications – Composition des vitesses, aberration de la lumière – Espace de Minkowski : invariants de Lorentz, quadrivecteurs – L’effet Doppler. Dynamique relativiste : dynamique des particules libres – Référentiel du centre de masse – Application aux collisions élastiques ou non, aux désintégrations – Forces électromagnétiques et transformations des champs électrique et magnétiques.

La médecine fait appel à de nombreuses méthodes diagnostiques et thérapeutiques basées sur les concepts et technologies du domaine de la Physique. Ce cours propose de donner une vision globale des problèmes fondamentaux de physique en lien avec l’imagerie médicale, les traitements du cancer et la radioprotection. Des notions de base d’interaction des rayonnements avec la matière biologique seront données afin d’aborder les concepts et méthodes utilisés en physique médicale.

Cette UE est un entraînement aux oraux destinée aux étudiants qui souhaitent se présenter aux concours d’admissions sur titre aux écoles d’ingénieurs.

Essentiellement une préparation aux épreuves orales des écoles d'ingénieurs ("colles"). Mais également des préparations aux entretiens, lettres de motivation, etc.

L’objet de cette UE est d’aller plus loin que le cours de mécanique quantique du premier semestre. Nous pourrons traiter la théorie des perturbations : voir comment les systèmes quantiques peuvent changer d’état, comment les spins interagissent entre eux et avec les autres moments cinétiques et enfin aborder la théorie des perturbations dépendante du temps qui permet de comprendre l’interaction lumière/matière. Dans la deuxième partie du cours, nous reviendrons sur la notion de photon, comment elle est apparue historiquement, comment elle est liée à la théorie du corps noir et quelles en sont les applications à la vie quotidienne. Nous terminerons par une introduction à la physique des lasers: de l’aspect purement atomique aux aspects les plus concrets pour les applications industrielles et scientifiques.

L’option d’Astrophysique du parcours de L3 Physique et Applications permet de découvrir les grands concepts liés aux Systèmes stellaires et planétaires. Nous étudierons les principes physiques gouvernant la formation et l’évolution de ces systèmes ainsi que les moyens dont nous disposons pour les caractériser. Les missions spatiales, notamment d’exploration du Système Solaire, constitueront des exemples concrets sur lesquels nous pourrons nous appuyer.

Programme :

Mécanique spatiale – orbites et trajectoires des astres et satellites artificiels
Naissance et évolutions des systèmes solaires – Etoiles, petits corps et planètes
Mesures isotopiques – datation et mise en évidence de processus astrophysiques
Transfert radiatif, bilans énergétiques et mesures associées
Instrumentation spatiale : l’exemple de la spectroscopie infrarouge

Cette option est un module d’ouverture vers le domaine des Sciences de la Terre. Une meilleure caractérisation et compréhension de l’évolution de la Terre repose sur différentes techniques géophysiques : gravimétrie, sismique, magnétisme…

Deux sujets seront abordés en particulier :

1. Géodynamique :

   évolution du système terrestre : mouvements de la Terre et leurs conséquences enveloppes externes et internes de la Terre les phénomènes internes et externes et leurs manifestations en surface champ magnétique terrestre, tectonique de plaques, croûte terrestre, volcanisme, tremblements de terre formation des océans et de chaînes de montagnes impact d’altération et du climat sur le relief

2. La Terre dans le système solaire : planètes de notre système, en particulier les planètes telluriques et leur comparaison avec la Terre.

Introduction – Premier aperçu des structures dans les trois principaux états de la matière : solide, liquide, gaz. – A l’équilibre thermodynamique : diagrammes de phases. – En dehors de l’équilibre thermodynamique : exemples de structures dans des états métastables et applications. Cohésion de la matière – Les différents types de liaisons – Structures type : le sel de cuisine, le silicium, le diamant, le graphite … – Énergie potentielle de cohésion, comportement élastique, rigidité. Symétries ponctuelles – Définitions : symétrie d’orientation, opération de symétrie, élément de symétrie. – Notions de groupe de symétrie. – Principe de Curie, exemples d’application. Les cristaux – Le cristal périodique : un motif répété aux noeuds d’un réseau. Notion de famille de plans réticulaires. – Construction des groupes spatiaux de symétrie (groupes de symétrie des cristaux). – Réseau réciproque. Etude des structures atomiques par diffraction des rayons X – Diffusion par une assemblée d’atomes quelconque, facteur de diffusion atomique. – Diffraction par les cristaux : loi de Bragg, facteur de structure. – Mise en œuvre expérimentale : les différents types de diffractomètres, méthodes d’affinement des structures cristallines. Défauts dans les cristaux : influence sur les propriétés physiques – Défauts ponctuels : lacune, interstitiel, impureté substitutionnelle. Exemples de leur influence sur les propriétés physiques : effet laser, couleur des cristaux, … – Défauts linéaires : exemple des dislocations et de leur rôle sur les propriétés mécaniques des cristaux. Cette UE comprend 2 TPs : diffraction sur poudre et diffraction par un solide cristallin.

Cristallographie géométrique et radio-cristallographie, J-J Rousseau & A. Guibaud, Dunod 2007. – Problèmes de cristallographie, J Lazjerowicz-Brunneteau et P. Ducros, Dunod 1967. – Diffraction des rayonnements : introduction aux concepts et méthodes, J. Protas, Dunod 1999

Travail expérimental, numérique ou théorique, réalisé dans un laboratoire ou une entreprise, en France ou à l’Etranger, portant sur un sujet quelconque de physique, d’une durée d’au moins 7 semaines. UE optionnelle du S6 de 5 ECTS. Ce stage optionnel vient compléter les enseignements plus théoriques dispensés dans les autres UE. Il intervient en fin d’année, à l’issue des enseignements académiques, et dure 7 semaines minimum. Le sujet du stage doit porter sur un sujet comprenant de la Physique, et peut être réalisé en en laboratoire universitaire ou en entreprise, en France comme à l’étranger. Les étudiants intéressés doivent se préoccuper de trouver rapidement une équipe dans un laboratoire ou dans une entreprise qui accepte de les accueillir pour les faire travailler sur un sujet de Physique donné. Les stages proposés pour l’année en cours ainsi que les équipes ayant pris des stagiaires les années précédentes sont disponibles au secrétariat.

Contexte Une étude très documentée de l’American Physical Society (APS-2008) évalue à 12.6% le rendement de conversion entre le potentiel énergétique de l’essence et la puissance motrice utilisée au niveau des roues motrices des véhicules automobiles (tank to wheel efficiency), ce chiffre descend à 11% si les dépenses énergétiques liées à l’extraction au raffinage et au transport de l’essence sont prises en compte (well to wheel efficiency), nous somme donc loin des 30% affichés par les constructeurs… Les questions de l’efficacité et du rendement des systèmes de conversion et de stockage de l’énergie, questions de physique appliquée, sont ainsi souvent obscurcies par les enjeux économiques (commerciaux) et sociétaux (politiques). Les choix, à venir, de transition énergétique implique une clarification physique et, dans cette perspective, appellent à une réactualisation de nos cursus de physique appliquée. Au-delà de l’expertise physique amont pour les choix politiques à venir, le renouveau de l’enseignement de l’énergétique physique offrira aussi des formations en phase avec la nécessité de l’innovation dans ces domaines de hautes technologies. L’enseignement décrit ici propose un ensemble de méthodes, outils et résultats permettant aux physiciens de comprendre et comparer les systèmes classiques et innovants de conversion et de stockage de l’énergie, conversion et stockage orientés vers le vecteur électrique. Les gradients de variables intensives constituent des écarts à l’équilibre thermodynamique permettant d’extraire du travail de notre environnement ou de stocker de l’énergie libre : différences de potentiels mécanique et électrique, pression, température et potentiel chimique. Les procédés de stockage d’énergie doivent œuvrer au maintien de ces gradients pour préserver la disponibilité de ces sources d’énergies libres. Les procédés de conversion d’énergie, utilisant ces sources d’énergies libres, sont toujours accompagnés d’une production d’entropie. L’extraction d’énergie libre des gradients de potentiel mécanique, de potentiel électrique et de pression, mettant en jeu un petit nombre de degrés de liberté cette production d’entropie est faible et l’efficacité des machines hydrauliques, pneumatiques et électriques est voisine de l’unité. Par contre, l’utilisation des gradients de températures et de potentiels chimiques est fortement limitée par le fait que l’énergie cinétique d’agitation thermique (température), et l’énergie potentielle d’engagement au sein de liaisons chimiques (potentiel chimique), sont distribuées sur un très grand nombre de degrés de liberté, ainsi la production d’entropie est élevée et l’efficacité plus faible. Programme Ce cours est articulé autour de deux axes principaux :

L’étude des concepts et méthodes de la physique des processus irréversibles, orientée vers la problématique de l’efficacité de stockage et de conversion énergétique vers la forme électrique. La présentation les deux principaux types de convertisseurs : les machines thermiques de Carnot et les machines chimiques de Van’t Hoff.
La description et l’analyse physique des principes et limitations des générateurs photovoltaïques et électrochimiques (piles à combustible).

Conversion et Dissipation, processus irréversibles

Energie et entropie, conservation et conversion
Flux couplés et Conversion d’Energie
Physique des machines Thermiques et Chimiques
Machines de Carnot, machines de Van’t Hoff et machines de Landsberg
Rendement de Van’t Hoff
Machines endoréversibles
Cycle exoréversible à régénération
Efficacité de Novikov-Curzon-Ahlborn

Physique des stockages capacitif et inductif

Stockages inductif et capacitif
Comparaisons des performances (J/m3, J/kg…) des procédés de stockage
Unification et comparaison des procédés de stockage à travers le théorème du viriel

Conversion et Stockage Electrochimique

Equilibre de Nernst, interface métal-Solution
Machines électrochimiques de Butler-Volmer
Surtensions et polarisations, irréversibilité
Surtension d’activation, irréversibilité
Piles à hydrogène, conversion et stockage

Conversion et efficacités Photovoltaïque

Lois de Kirchhoff et luminance du Corps Noir
Conservation de l’Etendue optique
Entropie et Concentration
Conversion Photovoltaïque, cellule à 2 niveaux
Efficacité de Landsberg
Relation de Shockley, limite de Shockley-Queisser

J-M RAX, Physique de la Conversion d’Energie, Editions EDP-Sciences, Collection Savoir Actuels, 340 pages, 210 figures, 2015. G. BOYLE, B. EVERETT, J. RAMAGE, Energy systems and sustainability, power for a sustainable future, Oxford University Press, Oxford, 2004. P. WURFEL, Physics of solar cells from principles to new concepts, Wiley-VCH, Weinheim, 2005. R.DECHER, Energy conversion systems, flow physics and engineering, Oxford University Press, New York Oxford, 1994. R.A. HUGGINS, Energy storage, Springer, New York, 2010.

Matériaux pour l’énergie nucléaire : définition ; classes de matériaux en fonction des applications (combustible, réacteur, entreposage ou stockage) ; spécificité des matériaux nucléaires : environnements radiatifs ; classification de sources d’irradiation en termes d’endommagement des solides (particules chargées : ions, électrons, positons, neutrons, photons). Simulation expérimentale des effets de l’irradiation par faisceaux d’ions accélérés. Physique de l’irradiation à l’échelle atomique : mécanismes d’interactions ; processus balistiques et électroniques ; mécanismes de création de défauts ; calcul de nombre de dpa (déplacements par atome); modélisation de l’endommagement par excitation électronique ; code de simulation numérique SRIM. Comportement sous irradiation de quelques matériaux pour le nucléaire : combustibles et matrices de transmutation (matériaux céramiques) ; aciers de cuve et gaine de zircalloy ; matrices d’entreposage et de stockage. TP : Utilisation du code de simulation SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter) ; application à l’endommagement d’un combustible nucléaires (fragments de fission de l’uranium, désintégration alpha des actinides).

Introduction à la physique nucléaire : propriété des noyaux (densité, énergie de masse, énergie de liaison, énergie d’appariement) ; modèles nucléaires (goutte liquide, gaz de Fermi) ; la carte des noyaux et vallée de stabilité. Les décroissances radioactives : étude des différents mécanismes de désintégration des noyaux (radioactivité alpha et beta) et lois associées ; désexcitation gamma; schémas de décroissance ; les familles radioactives naturelles (uranium et thorium) et les filiations radioactives associées ; mise à l’équilibre d’une chaîne radioactive (équilibre séculaire et activité du minerai d’uranium). Les réactions nucléaires appliquées aux réacteurs de fission : technologie des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP), mécanisme de fission, réactions induites par neutron et sections efficaces associées, noyaux fissiles et non fissiles, principe de la réaction en chaîne et criticité. Introduction à l’effet de la radioactivité sur le corps humain : radioactivité naturelle et artificielle, grandeurs et unités pour caractériser l’effet des rayonnements ionisant, ordres de grandeur.

préparation aux épreuves écrites des concours du CAPES et du CAFEP de physique chimie et initiation pour la préparation aux épreuves orales

préparation aux épreuves orales des concours du CAPES et du CAFEP de physique chimie

préparation aux épreuves orales des concours du CAPES et du CAFEP de physique chimie

Rappels de thermodynamique – Instruments de mesure des grandeurs thermodynamiques (température, pression, calorimétre) – Types et principes de quelques moteurs thermiques (principe de fonctionnement, rendements théoriques et réels) – Réfrigérateurs (principe de fonctionnement, efficacité) – Diagramme de phase, pression de vapeur saturante, chaleur latente de changement d’état – Purification (distillation, osmose) – Echanges de chaleur et isolation thermique – Conversion d’énergie thermoélectrique Cette UE comprend 2 travaux pratiques sur le moteur de Stirling et la mesure de pression de vapeur saturante de l’eau.

Thermodynamique fondements et applications, Pérez J.Ph., Romulus A.M., Ed. Masson (1993) – Energétique : concepts et applications, Feidt M., ed. Dunod (2006) – Thermodynamique, Diu B., Guthmann C., Lederer D. Roulet B., Ed. Hermann (2007)

Comportement mécanique des solides – Relations contraintes et déformations, tenseurs d’élasticité et de complaisance. – Énergie élastique. – Exemple de la flexion de la poutre. Comportement des liquides – Relation contrainte/écoulement dans un liquide. – Forme des interfaces (tension de surface, mouillage et effets capillaire) Entre liquide et solide – Des matériaux à la fois liquides et solides, introduction à la viscoélasticité. – Elastocapillarité : quand la tension de surface peut vaincre l’élasticité. Au niveau microscopique – les interactions moléculaires – leur impact sur le module élastique et la tension de surface Cette UE comprend 2 travaux pratiques choisis parmi les thèmes suivants : tension de surface et mouillage, élasticité de matériaux solides, propagation des ondes acoustiques.

La matière à l’état solide, des supraconducteurs aux super alliages, A. Guinier et R. Jullien, CNRS – Sciences appliquées. – Physique de l’état solide, C. Kittel, Dunod. – Propriétés et comportements des matériaux : du microscopique au macroscopique, A. Cornet, F. Hlawka, Technosup, Ellipses. – Gouttes, bulles, perles et ondes, P-G de Gennes, F.Brochard-Wyart, D.Quéré – Collection Echelles, Belin.

Du capteur à l'exploitation du signal. Toutes les séances ont lieu en salle de TP. Régime continu, quasistatique, transitoire, variable ; ransmission signal, propagation ; amplificateur opérationnel : outil d'adaptation, comparateur, amplificateur ; projet (2 séances)

préparation aux épreuves écrites des concours du CAPES, et du CAFEP de physique chimie.

Projet numérique en langage Python.

Attendus de l'UE Langue-Anglais4 : Niveau B2+/C1 dans les 5 compétences linguistiques.

ANGLAIS DE SPÉCIALITÉ. Cette UE s'inscrit dans la continuité de l'UE Langue-Anglais3 et le travail sur la langue de spécialité (scientifique et/ou à visée professionnelle) : on prolongera l'approche actionnelle dans les 5 compétences et on s'attachera à la préparation de l'étudiant aux différentes tâches liées à son activité scientifique telles que la rédaction d'un compte rendu d'expérience, le commentaire d'un graphique, la desciption d'un processus mais aussi à son insertion dans le monde professionnel : rédaction d'un CV ou d'une lettre de motivation en vue d'un stage... On proposera une initiation au débat ainsi qu'un entraînement à la certification CLES 2.

Le travail se fera par groupes de niveau.

Equations différentielles et introduction aux équations aux dérivées partielles.
Complément d'Algèbre linéaire : scalaires, vecteurs et opérateurs, bases non orthonormales, changement de base.
Transformation de Fourier au sens des fonctions et compléments d'intégration.

Equations différentielles et introduction aux équations aux dérivées partielles.
Complément d'Algèbre linéaire : scalaires, vecteurs et opérateurs, bases non orthonormales, changement de base.
Transformation de Fourier au sens des fonctions et compléments d'intégration.

Les outils mathématiques pour la physique quantique. Les postulats de la mécanique quantique. L’oscillateur harmonique et ses applications. Théorie générale du moment cinétique. Le moment cinétique de spin. L’atome d’hydrogène.

Quantique : rudiments , Jean-Marc Levy-Leblond et Françoise Balibar, Inter Editions CNRS, 1984. – Physique Quantique : introduction , Christian et Hélène Ngo, Masson 1991. – Introduction à la mécanique quantique , Jean Hladik et Michel Chrysos, Dunod, 2006. – Mécanique Quantique , Christophe Texier, Dunod, 2011.

I - RAPPELS (3h) Rappels des théorèmes généraux pour les systèmes de points et les solides 2D Principe Fondamental de la Dynamique ; Théorème du Moment Cinétique ; Energie Dynamique dans un référentiel non Galiléen

II – PRINCIPE VARIATIONNEL (2h) Principe variationnel (moindre action), équations d’Euler-Lagrange (sans contrainte) Applications : Snell-Descartes (maitre nageur), brachistochrone

III – MECANIQUE LAGRANGIENNE (5h) Construction du Lagrangien, Equation de Lagrange 1D (masse-ressort, pendules) Degrés de liberté, contraintes (holonomes, rhéo/sclero-nomes), coordonnées et forces généralisées. Eq. Lagrange à n dimensions. Coordonnées cycliques et moments conjugués (théorème de Noether) Théorème du Viriel Notions sur les multiplicateurs de Lagrange, minimisation sous contrainte

IV - OSCILLATIONS (3h) Petites oscillations. Oscillateurs couplés, modes normaux Résonance

V – DYNAMIQUE DU SOLIDE INDEFORMABLE 3D (5h) Rappels cinématique du solide, degrés de liberté, vecteur instantané de rotation Tenseur d’inertie, axes principaux, théorème de Koenig Equations d’Euler, angles d’Euler Gyroscopes, mouvement d’une toupie (précession / nutation) Instabilités de rotations tri-axes

VI – INTRODUCTION A LA MECANIQUE HAMILTONIENNE (2 h) Equations de Hamilton, flot dans l’espace des phases, illustrations simples (pendule) Avantages/inconvénients du formalisme Lagrange vs. Hamilton (solveurs numériques)

INTRODUCTION

Description d’un fluide à l’échelle microscopique (par rapport à un solide et un gaz, mouvement des atomes, densité, interactions entre particules)
Définition de l’échelle pour décrire un fluide: notion de particule fluide
Propriétés macroscopiques d’un fluide: la viscosité, la tension de surface
Les techniques expérimentales pour caractériser un fluide et mesurer sa vitesse: rhéologie et mesures de vitesses d’écoulements

FLUIDES EN EQUILIBRE

Les forces dans un fluide au repos :  forces de pression au sein d’un fluide
Loi de l’hydrostatique
Théorème d’Archimède et principe de Pascal. Applications.

CINEMATIQUE DES FLUIDES

Description mathématique d’un écoulement: points de vue d’Euler et de Lagrange.
Les outils mathématiques: volume de contrôle, dérivée particulaire.
Lignes et surfaces particulières dans un écoulement: trajectoires, ligne et tube de courant : définitions, exemples et visualisations.

Rappels sur les équations de Maxwell dans le vide, ondes électromagnétiques, polarisation, vecteur de Poynting, dispersion Rayonnement : potentiels retardés, émission par un dipôle électrique oscillant, antennes Guidage par des conducteurs : guide d'onde rectangulaire ou cylindrique ; cavités résonnantes Guidage par des diélectriques : fibre optique

Module expérimental centré sur les ondes électromagnétiques et faisant appel aux connaissances acquises dans plusieurs cours fondamentaux (mécanique quantique, électromagnétisme, physique statistique, mathématiques, optique…..).

Programme
Les ondes électromagnétiques seront étudiées par différents dispositifs dans une très large gamme de fréquences (X, visible, hyperfréquences, RMN). Les expériences illustreront la production, la propagation, les caractéristiques des ondes électromagnétiques ainsi que l’étude des phénomènes d’interaction du rayonnement avec la matière. Au niveau des expériences, on s’attachera à souligner l’unité des phénomènes physiques sous-jacents d’un TP à l’autre, et on s’efforcera en particulier de mettre en évidence le passage de l’interprétation classique à l’interprétation quantique des phénomènes observés. Outre les aspects purement fondamentaux, cet enseignement pratique permettra aux étudiants de se familiariser avec des techniques expérimentales largement répandues dans les laboratoires de recherche ou d’analyse industriels ainsi que dans le secteur médical (imagerie). Les TP seront proposés en séances de demi-journées ou de journées entières éventuellement précédées d’un exposé introductif. Les étudiants choississent 7 ou 8 TP selon leurs choix d'options et préférences, parmi : 2 Tps sur la production et l’analyse des rayons X, 2 Tps de Résonance Magnétique Nucléaire, 2 Tps sur les hyperfréquences, 2 Tps d’Optique dans le visible, 1 TP fibres optiques, 1 TP filtrage spatial et strioscopie.

Programme

Généralités

Du microscopique au macroscopique, degrés de liberté, systèmes classiques et quantiques, ordres de grandeurs, théorème ergodique, probabilités et méthodes statistiques.

Systèmes à l’équilibre

Entropie statistique, ensembles d’équilibre (micro-canonique, canonique et grand-canonique), fonctions de partition et grand potentiels, statistiques de Fermi-Dirac et de Bose-Einstein, fluctuations, applications à la physique des fluides et des solides, à l’électronique, aux transitions de phases, au rayonnement.

Physique statistique : introduction , C. Ngô et H. Ngô, Dunod, 2008 (3eme éd.).

• Physique statistique , B. Diu, C. Guthmann, D. Lederer, B. Roulet, Hermann, 1996.
• Eléments de physique statistique , S. Vauclair, Dunod, 1993.
• Thermodynamique et physique statistique , B. Jancovici, Nathan Université, 1996.
• Introduction to modern statistical physics , D. Chandler, Oxford University Press, 1987.

Programme
Fonctions d’une variable complexe Dérivation, intégration, fonctions multivaluées, transformations conformes, potentiel complexe en hydrodynamique. Distributions Espaces D et D’, distributions régulières et singulières, opérations sur les convolutions (dérivation,convolution…), transformée de Fourier.

"Mathématiques pour la physique et les physiciens !", Walter Appel, H&K Éditions

Dispositifs interférométriques – Phénomène d’interférence, notion de cohérence spatiale et temporelle. Réalisation pratique d’un interféromètre. Interféromètres à division de front d’onde et d’amplitude. Etude de cas : interféromètre de Michelson, interféromètre à ondes multiples. – Tomographie par cohérence optique (OCT). – Réseau de Bragg dans des fibres, principe et technique de fabrication. Diffraction – Principe de Huygens-Fresnel, diffraction de Fresnel et Fraunhofer, transformée de Fourier, filtrage spatial. – Réseau de diffraction, application aux spectromètres. – Senseurs de front d’onde. – Microscopie à contraste de phase. Résolution d’un instrument d’optique – Approche pédestre de la notion de limite de diffraction d’un système optique, de réponse impulsionnelle et fréquentielle d’un système optique. – Importance pratique en microscopique. Polarisation – Origine de la polarisation, production de lumière polarisée. Milieux biréfringents, lames quart d’onde et demi-ondes. Polarisation circulaire et elliptique. – Cristaux liquides, modulateurs spatiaux de phase et d’intensité. – Modulation electro-optique : cellule de Pockels.

Milieux diélectriques et magnétiques :

Rappels d'électrostatique
Milieux diélectriques : aspects macroscopiques et microscopiques
Propagation d'une onde électromagnétique dans un milieu diélectrique linéaire et isotrope : dispersion, absorption
Milieux aimantés : aspects macroscopiques et microscopiques
Applications