L3 Physique

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.

Projet numérique en langage Python. (Année de transition 2021-2022 : Eléments de programmation avec Python)

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.

– 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)

Nouvelle UE, contenu à détailler prochainement.

LANGUE GÉNÉRALE. Cette UE s'adresse à tout étudiant désireux d'apprendre une autre langue que l'anglais ou souhaitant parfaire son niveau dans cette langue. Le travail se fera par groupes de niveau (3 niveaux minimum, y compris Grands débutants) qui sera déterminé par un test préalable. On travaillera les 5 compétences (lire, écrire, écouter, parler et interagir) en prêtant une attention toute particulière à la compréhension de l'oral et l'expression orale en interaction. L'objectif est d'être autonome dans des situations de la vie quotidienne et/ou professionnelle. Les langues proposées sont l'allemand, le chinois, l'espagnol, l'italien et le russe.

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.

• 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.

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

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).

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

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.

L’objectif de cette option, dispensée entièrement en anglais, est d’offrir un premier contact avec les systèmes dynamiques, la physique du chaos, et la formation de motifs. L’enseignement sera fait sous forme de cours magistraux (~ 15 heures), mais une part notable du temps sera dédiée à des travaux dirigés (~10 heures) qui seront complétés par des études numériques simples que les étudiants pourront accomplir par eux-mêmes chez eux ou à l’Université. Les exemples d’application seront extraits de diverses branches de la science dont la physique, l’astrophysique, la chimie, la biologie.

Cette option d’introduction se déclinera essentiellement autour des thèmes suivants :

• Systèmes non-linéaires, portraits de phase, points fixes, stabilité
• Systèmes dynamiques discrets, suite logistique
• Chaos : introduction, bifurcations, transition vers le chaos, attracteurs étranges
• Morphogenèse, modèle de Turing
• Instabilités hydrodynamiques (e.g. Rayleigh-Bénard)

Cette option a pour objectif de faire découvrir aux étudiants la production d’énergie nucléaire sous l’angle des matériaux qui lui sont dédiés et des processus physiques intervenant dans les réacteurs. Elle se compose de deux parties indépendantes, bien que connexes, et se déroulant en parallèle : l’une est consacrée à la « physique nucléaire et radioactivité », l’autre au « comportement des matériaux sous irradiation ».

Partie I : Comportement des matériaux sous irradiation

• 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).

Partie II : Physique nucléaire & radioactivité

• 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.

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.

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.