Physique

Libellé du cours :	Physique
Département d'enseignement :	CMA / Chimie et Matière
Responsable d'enseignement :	Monsieur JULIEN DAQUIN
Langue d'enseignement :
Ects potentiels :	0
Grille des résultats :	Grade de A à F
Code et libellé (hp) :	ENSCL_CPI_M3_1_2_1 - Physique

Equipe pédagogique

Enseignants : Monsieur JULIEN DAQUIN / Monsieur FABIEN DHAINAUT
Intervenants extérieurs (entreprise, recherche, enseignement secondaire) : divers enseignants vacataires

Résumé

L’unité d’enseignement de Physique en deuxième année de CPI est organisée en deux éléments constitutifs : une partie disciplinaire (dénommée « élément constitutif Physique ») composée de cours et de travaux dirigés et une partie expérimentale (dénommée « élément constitutif Physique Expérimentale ») composée de travaux pratiques. Ces deux éléments constitutifs sont interdépendants. > ELEMENT CONSTITUTIF « PHYSIQUE » (10 ECTS) - Ondes mécaniques : Caractéristiques des ondes planes progressives, modèle de l’onde progressive harmonique unidimensionnelle, phénomènes de propagation non dispersifs : équation de d’Alembert, ondes mécaniques unidimensionnelles dans les solides déformables, ondes acoustiques dans les fluides. - Optique ondulatoire : Modèle scalaire des ondes lumineuses : Vibration lumineuse. Chemin optique. Déphasage dû à la propagation. Surfaces d’ondes. Théorème de Malus. Onde plane, onde sphérique. Largeur spectrale. Cohérence temporelle. Récepteurs. Intensité lumineuse. Superposition de deux ondes quasi monochromatiques non synchrones ou incohérentes entre elles. Superposition de deux ondes quasi monochromatiques cohérentes entre elles : formule de Fresnel. Contraste. Superposition de N ondes quasi monochromatiques cohérentes entre elles et de même amplitude. Dispositif-modèle des trous d’Young ponctuels. Champ d’interférences. Ordre d’interférences. Franges d’interférences. Perte de contraste par élargissement spatial ou par élargissement spectral de la source. Exemple de dispositif interférentiel par division d’amplitude : interféromètre de Michelson. Localisation des franges. Franges d’égale inclinaison. Franges d’égale épaisseur. Polarisation des ondes électromagnétiques planes progressives harmoniques : polarisation elliptique, circulaire et rectiligne. - Statique des fluides : Milieu continu (fluide ou solide) aux échelles microscopique, mésoscopique et macroscopique, critère de validité basé sur le nombre de Knudsen, valeurs dans des exemples expérimentaux et naturels. Forces dans un fluide statique : densité volumique de force à distance et densité surfacique de force de contact. Forces exercée par un fluide sur un volume ou une surface. Equation locale de la statique écrite à l’aide du champ de pression et du champ de masse volumique, inclusion d’autres densités volumiques de forces. Opérateur gradient et théorème du gradient. - Mécanique des fluides : Points de vue Eulérien et Lagrangien. Champ de vitesse d’un fluide. Dérivée particulaire. Trajectoires, lignes d’émission et lignes de courant. Opérateur divergence, flux à travers une surface, théorème de Gauss—Greene—Ostrogradski. Opérateur rotationnel, circulation d’un champ de vecteur, théorème de Stokes. Champ de vorticité. Flux advecté par le champ de vitesse d’une grandeur volumique à travers une surface. Débit massique et volumique. Conservation de la masse et équation de continuité. Incompressibilité et nombre de Mach. Cas du régime permanent dans des conduites Ecoulement parfait, équation d’Euler et théorèmes de Bernoulli. Densité de force surfacique dans un fluide réel en mouvement : force visqueuse dans un fluide cisaillé Newtonnien. Conditions de bord du champ de pression et des composantes du champ de vitesse sur des interfaces planes, selon le régime d’approximation. Equations de Navier—Stokes pour un fluide Newtonnien. Ecoulements de paroi permanent, diffusion du champ de vitesse. Notion de similitude et de nombre sans dimensions. Observation de l’effet du nombre de Reynolds sur l’écoulement autour d’un obstacle. Observation de l’effet du nombre de Reynolds sur l’écoulement dans une conduite. Adimensionnement d’équations, cas de Navier—Stokes et du nombre de Reynolds, nombres sans dimensions comme rapports de quantités caractéristiques. - Ondes électromagnétiques dans le vide et dans la matière : Dans ce cours sont étudiés les postulats de l’électromagnétisme permettant d’expliquer les propriétés électromagnétiques du vide, des milieux conducteurs et des milieux diélectriques, et la propagation des ondes électromagnétiques dans ces milieux. - Phénomènes de transport : Il s’agit là d’un phénomène important de la thermodynamique car c’est une source importante d’irréversibilité. La diffusion se caractérise par la nécessité d’un support matériel (contrairement à la propagation ou à l’effusion) et la lenteur du phénomène. Des exemples de diffusion : les taches d’encre sur un buvard (diffusion de particules) ou la conduction thermique (diffusion d’énergie cinétique). Cette étude comporte deux chapitres : la diffusion thermique et la diffusion de particules.

Objectifs pédagogiques

Les capacités visées sont : > Ondes mécaniques : - Définir une onde plane progressive à une dimension. - Connaître et exploiter la relation entre retard, distance et célérité. - Définir un milieu dispersif. - Ecrire les signaux sous la forme f(x +/- ct) ou g(x +/- ct). - Prévoir, dans le cas d’une onde progressive, l’évolution temporelle a position fixée et l’évolution spatiale a différents instants. - Etablir la relation entre la fréquence, la longueur d’onde et la célérité. - Etablir l’équation d’onde décrivant les ondes transversales sur une corde vibrante infiniment souple dans l’approximation des petits mouvements transverses. - Etablir l’équation d’onde décrivant les ondes mécaniques longitudinales dans une tige solide. - Identifier l’équation de d’Alembert. - Relier qualitativement la célérité d’ondes mécaniques, la raideur et l’inertie du milieu support. - Différencier une onde stationnaire d’une onde progressive. - Caractériser une onde stationnaire par l’existence de nœuds et de ventres. - Utiliser qualitativement l’analyse de Fourier pour décrire une onde non harmonique. - Décrire les modes propres d’une corde vibrante fixée à ses deux extrémités. - Interpréter quantitativement les résonances observées avec la corde de Melde en négligeant l’amortissement. - Classer les ondes acoustiques par domaines fréquentiels. - Valider l’approximation acoustique. - Établir, l’équation de propagation de la surpression acoustique dans une situation unidimensionnelle en coordonnées cartésiennes. - Utiliser l’opérateur laplacien pour généraliser l’équation d’onde. - Exprimer la célérité des ondes acoustiques en fonction de la température pour un gaz parfait. - Exploiter la notion d’impédance acoustique pour faire le lien entre les champs de surpression et de vitesse d’une onde plane progressive harmonique. - Utiliser le principe de superposition des ondes planes progressives harmoniques. - Utiliser les expressions admises du vecteur densité de courant énergétique et de la densité volumique d’énergie associés à la propagation de l’onde. - Citer quelques ordres de grandeur de niveaux d’intensité sonore. > Optique ondulatoire : - Associer la grandeur scalaire de l’optique à une composante d’un champ électrique. - Exprimer le retard de phase en un point en fonction de la durée de propagation ou du chemin optique. - Utiliser l’égalité des chemins optiques sur les rayons d’un point objet à son image. - Associer une description de la formation des images en termes de rayons lumineux et en termes de surfaces d’onde - Classer différentes sources lumineuses en fonction du temps de cohérence de leurs diverses radiations. - Citer quelques ordres de grandeur des longueurs de cohérence temporelle associées à différentes sources. - Relier, en ordre de grandeur, le temps de cohérence et la largeur spectrale de la radiation considérée. - Comparer le temps de réponse d’un récepteur usuel aux temps caractéristiques des vibrations lumineuses. - Relier l’intensité lumineuse à la moyenne temporelle du carré de la grandeur scalaire de l’optique. - Justifier et utiliser l’additivité des intensités. - Établir la formule de Fresnel. - Identifier une situation de cohérence entre deux ondes et utiliser la formule de Fresnel. - Associer un bon contraste à des ondes d’intensités voisines. - Expliquer qualitativement l’influence de N sur l’intensité et la finesse des franges brillantes observées. - Établir, par le calcul, la condition d’interférences constructives et la demi largeur 2/N des franges brillantes. - Établir et utiliser la formule indiquant la direction des maxima d’intensité derrière un réseau de fentes rectilignes parallèles. - Définir, déterminer et utiliser l’ordre d’interférences. - Justifier la forme des franges observées sur un écran éloigné parallèle au plan contenant les trous d’Young. - Identifier l’effet de la diffraction sur la figure observée. - Expliquer l’intérêt pratique du dispositif des fentes d’Young comparativement aux trous d’Young. - Exprimer l’ordre d’interférences sur l’écran dans le cas d’un dispositif des fentes d’Young utilisé en configuration de Fraunhofer. - Utiliser un critère semi-quantitatif de brouillage des franges portant sur l’ordre d’interférences pour interpréter des observations expérimentales. - Relier la longueur de cohérence temporelle, la largeur spectrale et la longueur d’onde en ordres de grandeur. - Déterminer les longueurs d‘ondes des cannelures. - Justifier les conditions d’observation des franges d’égale épaisseur, le lieu de localisation des franges étant admis. - Utiliser l’expression donnée de la différence de marche en fonction de l’épaisseur pour exprimer l’ordre d’interférences. - Justifier les conditions d’observation des franges d’égale inclinaison, le lieu de localisation des franges étant admis. - Établir et utiliser l’expression de l’ordre d’interférences en fonction de l’épaisseur de la lame, l’angle d’incidence et la longueur d’onde. - Décrire et mettre en œuvre les conditions d’éclairage et d’observation adaptées à l’utilisation d’un interféromètre de Michelson en lame d’air. - Mesurer l’écart en longueur d’onde d’un doublet et la longueur de cohérence d’une radiation. - Interpréter des observations faites en lumière blanche avec l’interféromètre de Michelson en configuration lame d’air. - Décrire et mettre en œuvre les conditions d’éclairage et d’observation adaptées à l’utilisation d’un interféromètre de Michelson en coin d’air. - Caractériser la géométrie d’un objet ou l’indice d’un milieu à l’aide d’un interféromètre de Michelson - Interpréter des observations faites en lumière blanche avec l’interféromètre de Michelson en configuration coin d’air. - Relier l’expression du champ électrique à l’état de polarisation de l’onde. - Utiliser la loi de Malus. - Reconnaître une lumière polarisée rectilignement, elliptiquement et circulaire. - Distinguer une lumière non polarisée d’une lumière totalement polarisée. - Utiliser une lame quart d’onde ou demi onde pour modifier ou analyser un état de polarisation, avec de la lumière totalement polarisée. > Statique des fluides : - Connaître les propriétés d’un milieu continu, des exemples et décrire un fluide à l’aide de champs. - Savoir calculer la force de pression exercée par un fluide sur une surface. - Connaître la densité volumique de force de pression et celle du poids. Déterminer l’équation de la statique des fluides étant données des densités volumiques de force et des hypothèses sur le fluide et la résoudre. - Faire des applications numériques, tracer des résultats savoir les comparer à des exemples de fluides statiques ou en écoulement (naturels, industriels ou de la vie courante) pour discuter de la pertinence des hypothèses utilisées pour décrire le système. - Savoir résoudre des équations différentielles linéaires du premier et du second ordre à coefficients constants. Connaître les systèmes de coordonnées cylindriques et sphériques. > Mécanique des fluides : - Savoir décrire un fluide en mouvement à l’aide du point de vue Eulérien et d’un champ de vitesse. Connaître le lien entre champ de vitesse Eulérien et Lagrangien. Savoir exprimer la dérivée particulaire en coordonnées Cartésiennes et son interprétation - Savoir déterminer des lignes de courant à partir de la définition dans des géométries simples. - Savoir calculer le flux d’un champ de vecteur à travers une surface simple (plan, cylindre, sphère), savoir calculer une circulation sur un contour simple (rectangle, cercle). - Savoir déterminer des débits massiques et volumique à travers une surface. - Connaître une expression de l’équation de continuité à l’aide d’opérateurs différentiels et savoir l’écrire en détails en coordonnées Cartésiennes. - Connaître les opérateurs différentiels gradient, divergence, rotationnel et Laplacien en coordonnées Cartésiennes et leur interprétation pour déterminer les variations d’un champ. - Savoir utiliser les théorèmes de Stokes et Gauss—Greene—Ostrogradski dans des géométries simples. - Connaître les théorèmes de Bernoulli pour un écoulement rotationel et irrotationel, les hypothèses nécessaires et les utiliser pour déterminer les propriétés d’un écoulement. - Savoir utiliser l’incompressibilité et/ou la conservation du débit pour déterminer les propriétés d’un écoulement. - Connaître le champ de vorticité, et son interprétation pour des types d’écoulements : vortex et cisaillement. - Connaître les valeurs de grandeurs caractéristiques de l’eau liquide et de l’air comme la masse volumique ou la viscosité dynamique et la masse volumique dans leur unité MKSA. Connaître l’expression de la viscosité cinématique. - Connaître l’expression des équations de Navier—Stokes pour un écoulement Newtonnien incompressible à l’aide d’opérateurs différentiels, l’interprétation qu’on peut donner de chaque terme et savoir l’écrire en détail en coordonnées Cartésiennes. Savoir les simplifier et les résoudre dans des cas simples sous des hypothèses proposées. - Savoir calculer la force de viscosité exercée par un fluide sur une surface plane. - Connaître les nombres sans dimension principaux en mécanique des fluides (Reynolds, Mach) et les propriétés générales des écoulements selon leur valeur. - Savoir adimensionner une équation différentielle, interpréter les nombres sans dimensions comme de rapport de grandeurs caractéristiques, et proposer des simplifications selon leur valeur. - Connaître l’expression de la force exercée par un fluide en mouvement sur un solide (à une constante de l’ordre de 1 près), en fonction de la vitesse du fluide, des dimensions du solide et/ou de la masse volumique du fluide et/ou de sa viscosité dynamique selon le nombre de Reynolds. - Savoir représenter schématiquement les lignes de courant de l’écoulement autour d’un solide, selon le nombre de Reynolds ainsi que donner les propriétés principales de l’écoulement. Savoir faire de même pour l’écoulement de Hagen—Poiseuille dans une conduite. > Ondes électromagnétiques dans le vide et dans la matière : - Maitriser les équations de Maxwell : Leur signification leurs usages - Connaitre des modèles microscopiques de la matière. - Être capable de produire une équation de propagation à l’aide des équations de Maxwell dans différents milieux. - Manipuler des ondes planes progressives harmoniques et leur polarisation, solution des équations de propagation. - Savoir faire apparaitre différents régimes de propagation et d’absorption en fonction de la pulsation grâce à l’équation de dispersion. - Savoir faire des bilans énergétiques. - Savoir redémontrer les lois de Descartes. > Phénomènes de transport : Dans la partie « Diffusion thermique », la mise en équations de la diffusion thermique est limitée au cas des solides ; on peut étendre les résultats ainsi établis aux milieux fluides en l’absence de convection en affirmant la généralisation des équations obtenues dans les solides. La loi phénoménologique de Newton à l’interface entre un solide et un fluide peut être utilisée dès lors qu’elle est fournie. - Loi de Fourier et Vecteur densité de flux thermique jQ. - Régimes stationnaires. Résistance thermique. - Équation de la diffusion thermique. Dans la partie « Diffusion de particules », l’accent est mis sur le notion de bilan dans le cas où le phénomène de convection est négligé. - Loi de Fick et Vecteur densité de flux de particules jN. - Régimes stationnaires. - Équation de diffusion en l’absence de sources internes

Objectifs de développement durable

Modalités de contrôle de connaissance

Contrôle Continu
Commentaires: Evaluation en contrôle continu. 6 devoirs surveillés de 2h.

Ressources en ligne

Pédagogie

Volumes horaires : 90 h de cours, 70 h de TD En plus, 1 h de soutien hebdomadaire est proposée aux élèves volontaires pour faire de la remédiation plus personnalisée. Langue : Français

Séquencement / modalités d'apprentissage

Nombre d'heures en CM (Cours Magistraux) :	90
Nombre d'heures en TD (Travaux Dirigés) :	70
Nombre d'heures en TP (Travaux Pratiques) :	0
Nombre d'heures en Séminaire :	0
Nombre d'heures en Demi-séminaire :	0
Nombre d'heures élèves en TEA (Travail En Autonomie) :	0
Nombre d'heures élèves en TNE (Travail Non Encadré) :	0
Nombre d'heures en CB (Contrôle Bloqué) :	0
Nombre d'heures élèves en PER (Travail PERsonnel) :	0
Nombre d'heures en Heures Projets :	0

Pré-requis

Notions disciplinaires et expérimentales acquises via l’enseignement de Physique de la première année de Cycle Préparatoire Intégré.

Nombre maximum d'inscrits

Remarques