Semestre 6

Optique

UE obligatoire - 5 ECTS

Objectifs

Comprendre les principes de bases de l'optique ondulatoire : interférences, diffraction, polarisation.

Contenu

I. Interférences lumineuses (10hde cours).
Cohérence. Systèmes interférentiels par division du front d'onde (miroir de Fresnel, fentes d'Young) et par division d'amplitude (Michelson). Interférences à ondes multiples : superposition d'ondes multiples (fonction d'Airy) ; interféromètre de Pérot-Fabry (cavité, facteur de qualité...) ; applications pratiques des interféromètres (Capteurs, gyroscopes...)

II. Diffraction (8h de cours).
Principe de Huygens-Fresnel. Diffraction de Fraünhofer. Exemples de calcul d'intensités diffractée à l'infini par des pupilles géométriques de formes simples. Relation avec la transformée de Fourier spatiale. Diffraction de Fraünhofer par un réseau de fentes.

III. Ondes Electromagnétiques dans le vide et dans les milieux matériels homogènes non dispersifs (4hde cours).
Equations de Maxwell. Onde lumineuse monochromatique plane. Energie et detection quadratique de l'onde EM Polarisation d'une onde plane monochromatique. Etats de polarisation. Loi de Malus Réflexion et réfraction des ondes électromagnétiques. Etablissement des relations de Fresnel sous incidence quelconque (coefficient de réflexion en amplitude, en puissance, incidence de Brewster, réflexion totale)

Ondes et vibrations II

UE obligatoire - 3 ECTS

Contenu

Introduction aux phénomènes non-linéaires dans les oscillateurs.
Analyse de stabilité linéaire ; apparition de combinaison de fréquences : harmoniques, somme de fréquence, différence, etc. Oscillateur non-linéaire: décalage de la fréquence de résonance ; oscillations de relaxation ; instabilité paramétrique (exemple du pendule)

Ondes: phénomènes de base
Exemples d'équations d'ondes: différences apparentes, points communs apparents (dissipatif vs non-dissipatif, dispersif vs non dispersif, linéaire vs non-linéaire, ordre de l'équation).

Phénomènes fondamentaux de la dynamique des milieux étendus: dispersion, diffusion, vitesses pertinentes (vitesse de phase, vitesse de groupe) dans les mileux discrets et continus ; Energie: vitesse de propagation de l'énergie

Phénomènes non- linéaires dans les ondes: génération d'harmoniques, solitions, ...

Physique quantique II

UE obligatoire - 4 ECTS

Objectifs

Acquérir les notions de base de la physique quantique (suite) et en connaître quelques application fondamentales.

Contenu

Méthode des perturbations stationnaires.

Perturbations dépendantes du temps.

Moment cinétique: moment cinétique orbital et moment cinétique de spin.

Atome d'hydrogène.

Etats intriqués.

Systèmes de particules identiques: Principe de Pauli, bosons et fermions.

Propriétés de la matière condensée

UE obligatoire - 5 ECTS

Objectifs

Connaître les propriétés microscopiques qui permettent de définir les différents états de la matière condensée.

Faire émerger les propriétés fonctionnelles des grandes classes de matériaux.

Contenu

Introduction: problématique de la classification des états de la matière

Possibilité d'une classification selon la structure et la dynamique : structure ordonnée, structure désordonnée ; notions sur les interactions entre atomes et molécules (distances interatomiques ; énergie de cohésion ; dilatation thermique)

Propriétés structurales de la matière condensée

La matière ordonnée : structures cristallines ; réseau direct, réseau réciproque ; notions sur la symétrie d'orientation ; réseaux de Bravais, quelques structures type

Outils d'analyse structurale : diffraction des rayons X et des neutrons ; loi de Bragg et facteur de structure ; effet de taille

Effets de désordre : agitation thermique ; désordre de position et de substitution ; les défauts cristallins (ponctuels,linéaires,plans) ; les cristaux liquides

Structure des liquides et des amorphes : fonction de distribution radiale et facteur de structure associé ; structure de quelques solides amorphes.

Propriétés dynamiques de la matière

Réponse élastique : notion de contrainte et de déformation ; loi de Hooke ; ondes élastiques, vitesse de propagation du son.

Diffusion et relaxation : mécanismes de diffusion, autodiffusion, hétérodiffusion, lois de Fick ; notions de relaxation orientationnelle

Origine physique de la viscosité : l'écoulement visqueux : comportement expérimental ; modèles rhéologiques (ex : Maxwell) ; corrélation entre la rhéologie et les propriétés microscopiques ; modèles simples de la viscosité des liquides et des solides.

Projet de physique théorique

UE obligatoire - 3 ECTS

Contenu

Résolution de problèmes simples de Physique tels que la résolution d'équations différentielles (par exemple les équations du mouvement d'un pendule simple). Projets sur des sujets proposés par les enseignants devront couvrir autant de domaines de la Physique que possible (Physique statistique, Physique quantique, mécanique, optique, dynamique non linéaire, thermodynamique. ). Les projets comprennet trois aspects : modélisation (mise en équation du problème), calcul analytique (« à la main ») et simulation numérique.

Physique Statistique

UE obligatoire - 6 ECTS

Objectifs

Acquérir des formalismes statistiques (entropie ; liens entre propriétés microscopiques et macroscopiques).

Savoir formuler un problème de thermodynamique à partir des concepts microscopiques (choix et écriture de fonction de partition, relation avec les propriétés macroscopiques, potentiel thermodynamique).

Connaître et savoir appliquer les statistiques de particules indépendantes.

Contenu

Eléments de probabilité (distributions binomiale, de Gauss et de Poisson ; formule de Stirling, multiplicateurs de Lagrange).

Fondements et principes de la physique statistique. Entropie statistique.

Différents ensembles statistiques (microcanonique, canonique et grand canonique).

Fonctions de partition et distributions d'équilibre. Relations avec les propriétés thermodynamiques. Fluctuations et réponses macroscopiques (chaleur spécifique, susceptibilité). Potentiels thermodynamiques et évolution des systèmes hors équilibre.

Différentes statistiques de particules indépendantes (Maxwell-Boltzmann, Fermi-Dirac, Bose-Einstein, limite classique des statistiques quantiques).

Applications : Marche au hasard, mouvement Brownien. Paramagnétisme et ferromagnétisme, loi de Curie. Gaz classiques mono et polyatomiques, théorie cinétique. Notions de changement de phase, approximation de champ moyen. Gaz d'électrons et structure électronique des solides. Condensation de Bose. Rayonnement thermique ; propriétés thermiques des solides.

Astrophysique

UE optionnelle - 4 ECTS

Objectifs

Initiation à l'astrophysique

Utiliser les connaissances acquises en physique fondamentale et les appliquer à des problèmes astrophysiques

Contenu

Introduction à l'astrophysique.

Le rayonnement électromagnétique, messager de l'information.

Système solaire ; exoplanètes

Physique stellaire : naissance, vie et mort des étoiles

Le milieu interstellaire.

L'univers à grande échelle et la cosmologie

D’autres problèmes seront discutés lors de séances d’exposés par les étudiants

Physique de la Terre et de son Environnement

UE optionnelle - 4 ECTS

Objectifs

Ce module vise à présenter à des étudiants de physique et de chimie les approches contemporaines de l'étude (observation, modélisation) de l'intérieur de la Terre ainsi que de son enveloppe superficielle (océan, atmosphère et cryosphère) en relation avec le système climatique et son évolution. Un effort particulier est fait pour mettre en valeur l'apport (conceptuel, expérimental, méthodologique,...) des sciences physiques à ces champs scientifiques.

  • Acquérir une connaissance des processus physiques fondamentaux qui ont lieu dans le manteau terrestre, l’atmosphère et les océans.
  • Connaître les principes de base utilisés pour l’observation, la modélisation de la Terre et de son enveloppe superficielle.

Contenu

La formation est donnée sous forme essentiellement magistrale et peut inclure participations à des séminaires sur ces thèmes dans le cadre des laboratoires ou écoles doctorales. On distingue deux parties dans le cours:

Géophysique interne :

  • L'origine des éléments - Contraintes géochimiques
  • Observer la Terre - contraintes géophysiques
  • L'apport de la sismologie
  • Les enveloppes de la Terre interne
  • Modèle minéralogique de Terre
  • La pression, paramètre fondamental de l'étude de l'intérieur des planètes
  • La Terre machine thermique

Climat de la terre - Sciences de l’Atmosphère et des Océans :

  • Les acteurs du climat - Genèse de l’atmosphère terrestre – Composition et structure - Bilan énergétique, circulation atmosphérique. Effet de serre. Observer et modéliser les paramètres atmosphériques
  • L’océan – description, paramètres clefs. Moyens d’observation.
  • Interactions océan-atmosphère - Circulations océaniques de surface et thermohaline – Phénomène El Nino.
  • Climat futur – Influence anthropique – Modèles, observations, incertitudes

Constituants de la matière: du quark à la molécule

UE optionnelle - 4 ECTS

Objectifs

Donner une vue de la connaissance fondamentale que l'on a aujourd'hui de l'infiniment petit

Donner les éléments permettant de comprendre les applications principales de ces connaissances au niveau de l'énergie, des méthodes d'analyse et des applications. Il est proposé d'évoquer également les implications au niveau de l'astrophysique.

Contenu

Introduction historique : découvertes de la radioactivité, du neutron, du neutrino, des quarks. Echelles : taille, énergie.

Le monde élémentaire : des quarks aux noyaux. Quarks et leptons ; hadrons, mésons, baryons. Interactions fondamentales et particules d'échange associées

Noyaux. Modèles du noyau.

Radioactivité et réactions nucléaires. Description des radioactivités alpha, beta, gamma. Radioactivités naturelles et artificielles. Approche théorique de la radioactivité alpha. Application aux méthodes de datation.

Réactions nucléaires à basse énergie (fission dans les réacteurs, fusion dans le soleil, ..). désexcitation des noyaux excités.

Eléments de physique atomique. Notion de spin (Stern et Gerlach) ; couplage de moment cinétique ; structure fine et hyperfine des niveaux d'énergie atomique.

Eléments de physique moléculaire. Molécules diatomiques. Approximation de Born-Oppenheimer. Niveaux d'énergie électronique, de vibration et de rotation.

Histoire des Sciences

UE optionnelle - 4 ECTS

Objectifs

Mettre en perspective les contenus des disciplines actuelles. Montrer que les savoirs résultent d’une histoire riche de diverses approches, liées à des représentations du monde et à des questionnements différents.

Contenu

De l’histoire de la vision à l’histoire de la lumière
Les philosophies antiques se sont posées la question de la vision, sans considérer l’œil et la lumière. C’est la science en pays d’Islam qui a, la première, tenté de décrire la nature physique de celle-ci, grâce à la science expérimentale qu’elle a mise au point (XIe siècle). Les latins du Moyen-Age n’ont pas pratiqué cette méthode dans leur volonté de concilier Foi et Raison. C’est avec la « science des mécènes » que l’Occident en vient à pratiquer l’expérience pour expliquer les divers effets lumineux par les propriétés de la lumière (XVIIe siècle).

La lumière : ondes ou corpuscules ?
Du XVIIe siècle au XXe siècle cette interrogation va traverser la science sans jamais apporter de réponse définitive. Les uns vont considérer le monde empli par l’éther, les autres comme vide ; tous veulent expliquer dans le cadre du mécanisme les nouvelles observations effectuées, qu’elles soient ou non déduites des théories. La fin du XIXème siècle voit poindre la notion de champ, qui permet de rompre avec la description mécanique de l’univers. Le début du XXe siècle va marquer l’émergence d’une dualité dans la description de la matière et de la lumière : toutes deux seraient ondes et corpuscules. Cette conception est renversée par la science contemporaine : la lumière n’est ni onde, ni corpuscule. Ceci nous amènera à parler de modélisation et des limites de la description scientifique du réel.

La révolution en science
La science a donc une histoire qui ne correspond pas à celle de l’avènement progressif de la vérité, sur le mode cumulatif des connaissances acquises, suivant une progression linéaire, mais plutôt celle de la confrontation incessante de théories concurrentes, débouchant parfois sur des événements qui pourraient se lire comme de véritables ruptures dans la pensée scientifique. Toutefois, la rupture – ou encore « révolution scientifique » – est toujours le fruit d’une lecture rétrospective, parfois ambigüe. Et pourquoi apparaît-elle, comment s’accomplit-elle, est-elle simple renversement des représentations des savants, ou marque-t-elle un réel progrès vers la vérité en science. Nous nous appuierons sur l’exemple de la « révolution » de Lavoisier pour présenter quelques éléments de réponse.