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ANNEXE I - Programmes des UE’s du M1 MPAD. Période 1 .
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Tous les cours s'adressent à des étudiants possédant un niveau de formation universitaire «standard»
de 3 ans. Cependant la diversité des cursus possibles fait que certains enseignements de licence peuvent faire
défaut à quelques étudiants. Les programmes des unités d’enseignements (UE) sont prévus pour tenir compte
de telles singularités.
Chaque UE correspond à 6 ECTS. Équivalent horaire 60 h étudiant.
UE 1-1 : Mécanique quantique.
Motivations : La mécanique quantique est l'un des domaines incontournables de la physique
moderne issue du XXème siècle. Elle a profondément changé notre façon d'appréhender la nature
et concerne d’importantes branches expérimentales.
Reposant sur le concept d'amplitude de probabilité et sur le principe de superposition d'états, la
mécanique quantique est omniprésente dans la technologie actuelle et fait l'objet d'intenses
recherches théoriques aussi bien que de multiples applications techniques.
Cette UE est scindée en 2 UE’s
UE 1-1 Mécanique quantique : A- Physique quantique.
3 ECTS. Equivalent horaire 30h.
Dans l'optique où des étudiants n'auraient jamais suivi un tel enseignement au cours de leur cursus antérieur, le
contenu de ce cours aborde différents exemples de phénomènes physiques que seule la mécanique quantique
permet d'expliquer, en développant les méthodes appropriées à leur étude. Il prépare aux applications en
physique atomique, subatomique et moléculaire.
Principaux thèmes abordés
I. Systèmes de base : Systèmes à 2 états, Mécanique ondulatoire à 1D.
II. Physique quantique à 3D, moments angulaires. Liens avec la spectroscopie.
III. Spins. Liens avec la physique atomique et subatomique.
Cette UE est mutualisée avec le parcours SPACE. Version anglaise disponible dès l’année universitaire
2015-2016.
UE 1-2 : Mécanique quantique : B- Aspects fondamentaux. 3 ECTS. Equivalent horaire 30h.
Ce cours s'adresse à des étudiants possédant une Licence de Physique ou ayant suivi l'UE1-A,
inscrits en M1 MPAD.
Le formalisme de la mécanique quantique est abordé, avec une attention toute particulière portée à la notion
importante de symétrie. De nouvelles applications des concepts de base et techniques afférentes sont
développées.
Principaux thèmes
I.
II.
III.
IV.
V.
Mathématiques et formalisme de la MQ
Théorie quantique de Schrödinger
Principes généraux de la mécanique quantique
Addition des moments angulaires
Méthodes d'approximation
Références de livres acquis à la BU-SCD d’AMU :
Aslangul Cl.
Cours de Mécanique Quantique (cours + exos, en 3 tomes) De Boeck. 2007, 2008, 2009.
Basdevant J.-L, Dalibard J. &Joffre M., Mécanique Quantique (cours+exos), École Polytechnique, 2002.
Greiner W.,
Quantum Mechanics: an Introduction, Springer 2001 (traduit en français)
Quantum Mechanics: symmetries, Springer 1994 (traduit en français)
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UE’s 1-3&4 Électromagnétisme
Motivations : Le but de cette UE est de présenter les bases théoriques de l’interaction entre matière
et lumière.
Dans une première partie, la matière est étudiée comme source de rayonnement, du rayonnement
émis par une charge en mouvement au modèle d’Einstein, en passant par l’étude du rayonnement
thermique.
La seconde concerne la propagation des ondes électromagnétiques dans les milieux matériels,
l’objectif étant de comprendre les différentes caractéristiques des matériaux vis-à-vis des ondes
avec un formalisme de l’électromagnétisme allégé. Ces études seront illustrées pas des applications
en optique, télécommunication…
Pré requis
Éléments de mathématique : analyse vectorielle, analyse de Fourier.
Électromagnétisme dans le vide. Potentiels. Ondes planes et ondes sphériques.
Équations de Maxwell dans le vide en régime harmonique. Énergie et impulsion.
Optique Physique : diffraction, interférences
UE 1-3 Électromagnétisme: A- Rayonnement 3 ECTS. Equivalent horaire 30h.
I.
Champs créés par des particules en mouvement (synchrotron, bremsstralung)
II.
Émission dipolaire (émission spontanée, source spectrale, antenne)
III.
Interaction atome-rayonnement (polarisabilité, diffusion, absorption)
IV.
Émission thermique (corps noir, source d’électron)
V.
Émission stimulée (Coefficient d’Einstein, laser, cohérence)
Cette UE est mutualisée avec le parcours SPACE. Version anglaise disponible dès l’année universitaire
2015-2016.
UE 1-4 Électromagnétisme et Optique approfondie 3 ECTS. Equivalent horaire 30h.
I.
Équations de Maxwell dans les milieux matériels diélectriques isotropes en régime
linéaire.
II.
Milieux matériels diélectriques anisotropes en régime linéaire (Propagation en milieux
anisotropes, polarisation ; Biréfringence, milieux uniaxes ; Polarisation rotatoire)
III.
Milieux guidés (Métaux, ondes évanescentes, effet de peau ; Guides d’ondes ; Fibres
optiques ; Propagation)
Références:
Électromagnétisme-Fondements et applications. J-Ph. Pérez, R. Carles, R. Fleckinger.
Hors collection, Dunod.
Polarisation. Serge Huard, Masson 1994
Principles of Optics. Max Born & Emil Wolf, (4th.ed.), PergamonPress 1970
UE 1-5 : Physique statistique classique
Cette UE est mutualisée avec le parcours SPACE. Version anglaise disponible dès l’année universitaire
2015-2016.
Motivations : La physique statistique est l'un des domaines piliers de la physique. Elle représente le
moyen de transposer les propriétés microscopiques des systèmes physiques en grandeur
macroscopiques mesurables. Elle constitue donc un pas important pour la compréhension « en
profondeur » des phénomènes collectifs. La nature même de la matière ne peut être appréhendée
sans elle.
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I Outils mathématiques :
- Méthode des multiplicateurs de Lagrange
- Théorie des probabilités. Théorème central limite (notion de variables indépendantes,
probabilités conditionnelles). Convergence en lois.
II
Marche au hasard (discrète et continue)
Limite de la loi binomiale, Loi de Poisson, Loi de Gauss (Normale).
Processus de Markov, équations stochastiques, entropie. Mouvement Brownien.
Notions de statistique, de valeurs moyennes et de variance
Application aux phénomènes de diffusion et advection
III
Ensembles statistiques :
Postulats de la physique statistique
Ensemble microcanonique et applications, dérivation de la thermodynamique classique.
Ensembles canonique, grand-canonique. Equivalence des ensembles
IV
Théorie cinétique des gaz :
Distribution de Maxwell-Boltzmann – densité d’état du gaz parfait monoatomique.
Caractéristiques d’un système physique.
V
Transport :
Lois de Fourier – Fick – Ohm – équations bilans. Applications.
Systèmes hors-équilibre, réponse linéaire, théorème de fluctuation-dissipation
Références:
Cours de Physique de Berkeley, physique statistique, Reif.
Statistical and thermal physics, Reif, MacGrawHill
Physique statistique, Diu, Hermann
Statistical mechanics, Huang, Wiley
UE 1-6 Physique expérimentale et outils numériques.
Cette UE, de 6 ECTS 60 heures/étudiant, comporte deux types d’enseignements en symbiose
- l’un centré sur la notion d’ « expérimentation »
- l’autre plus axé sur les outils numériques
A - Physique expérimentale
Objectifs :
Amener les étudiants à devenir autonomes dans l’utilisation du matériel standard du
laboratoire de Physique expérimentale, dans le but de mettre en évidence un effet physique donné
par des mesures convenablement acquises, traitées et présentées, ainsi qu’à acquérir un esprit
critique sur ces résultats de mesures.
Compétences visées :
Maîtriser
les
appareils
de
mesure
« standards »
des
physiciens
expérimentateurs (thermocouples, multimètres, photo-détecteurs, oscilloscopes numériques,
spectromètres,…)
Savoir utiliser les outils modernes de présentation (graphes) et de traitement
(ajustements,…) des données par l’ordinateur (logiciel dédié « Igor ProTM »)
Connaître dans les grandes lignes les principes de l’acquisition et le traitement des données
via l’ordinateur (Cartes d’acquisition modernes National Instruments, Logiciel « Igor
ProTM » et/ou « MatLabTM »)
Rédiger un cahier de laboratoire
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Contenu : Une phase préparatoire -en enseignement à distance- suivie d’une semaine de travaux
pratiques (en présentiel en principe).
Phase préparatoire : Le bagage nécessaire à la bonne exécution des travaux pratiques est mis à
disposition des étudiants en cours d’année, sous forme d’un texte accompagné d’exercices, faisant
appel en particulier à un logiciel d’acquisition, de visualisation et de traitement de données évolué,
comme Igor ProTM, disponible sur le web en version d’essai.
Le programme de cette partie préparatoire comprend : Introduction à la théorie de la mesure,
familiarisation avec le programme de visualisation et de traitement de données Igor Pro TM
(Wavemetrics), bases de l’acquisition de données avec des cartes d’acquisition (type national
InstrumentsTM), génération de signaux, analyse en fréquence (TFD).
La semaine de TPs comprend :
- 8 TPs de 3h30 = 32 hTP,
- Projets personnels encadrés : 2 heures d’introduction aux
projets du 2d semestre.
B - Outils numériques.
Motivations: Depuis l'avènement de l'informatique, les physiciens ont utilisé cet outil afin de
vérifier ou simuler des phénomènes physiques dont la résolution analytique est soit impossible, soit
hors de portée (voir les travaux pionniers de Fermi, Pasta et Ulam (FPU 1955) sur l’état
d'équilibre d'une chaîne d'oscillateurs non linéaires). Depuis, l'informatique s'est imposée dans
quasiment tous les domaines de la physique, et est utilisée massivement dans l'industrie, la
"virtualisation" des phénomènes permettant des économies substantielles (en évitant entre autres de
nombreuses expériences coûteuses et en raccourcissant les temps de conception d'avions, de
voitures, de circuits électroniques, etc.…)
Compétences visées
Maîtrise du logiciel de mises en page de documents scientifique : Latex, et d'éditeurs
utilisant cet outil comme par exemple lyx), codage de documents, lien avec HTML et XML
- Maîtrise de la programmation pour simuler des phénomènes physiques. Nous nous
appuierons en particulier sur un langage interprété, le langage PYTHON.
- Sensibilisation à la réflexion sur le temps de calcul (complexité et scalabilité de
l'algorithme), et l’importance de l’aspect « validation »
Introduction à la suite Sage. Développée en python, il s'agira d'utiliser l'outil et de proposer
un ou deux projets utilisant le calcul formel.
Les rapports devront être rédigés en latex .
Références: De nombreux ouvrages traitent de cette problématique, en particulier (ouvrage récent)
Computational Physics (http://www personal.umich.edu/~mejn/computational-physics/ ). Il y a
aussi l'incontournable « numerical recipes » pour des aspects ponctuels.
UE 1-8 OPTION Astrophysique
UE de 3 ECTS (équivalent horaire 30h)
UE proposée par le parcours SPACE (M1) et en option (mutualisée) dans le M1- MPAD.
Version anglaise disponible dès l’année universitaire 2015-2016.
Motivation: L’objectif de cette option est une introduction aux principaux thèmes de
l’astrophysique moderne en insistant sur les processus physiques à l’œuvre.
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Programme
I.
Émergence de l’astrophysique Moderne
Rappels historiques et transition de l’astronomie à l’astrophysique
II.
Les sources d’information en astronomie
Spectre électromagnétique. Principaux processus d’émission.
Mesures: photométrie et spectroscopie depuis le sol et l’espace.
III.
L’échelle et la mesure des distances astronomiques
Distances stellaires, cosmiques, cosmologiques, décalage vers le rouge.
Les biais observationnels.
IV.
Les étoiles, un milieu dense
Spectres stellaires et classification. Éléments d’évolution stellaire
V.
Le milieu interstellaire, interaction entre matière et lumière
Éléments de transfert radiatif. Les différentes phases du milieu interstellaire .Émission
continue et nébulaire
VI.
Les galaxies et la distribution de matière dans l’univers
Introduction aux galaxies. Distribution spatiale des galaxies.
La formation des galaxies: le paradigme actuel
VII. Introduction aux phénomènes de haute énergie
Introduction à l’astronomie dans les rayons X et gamma. Quasars et noyaux actifs de
galaxies. Les sursauts gamma
VIII. Les compagnons des étoiles, systèmes planétaires
Système solaire. Exo-planètes
Références :
Astrophysics, decoding the cosmos: Judith Irwin, John Wiley
Astrophysics in a nutshell, David Maoz, Princeton University Press
Astrophysical Processes: The physics of astronomical phenomena, Bradt, Cambridge University
Press
UE 1-8 OPTION
Chimie
UE de 3 ECTS (équivalent horaire 30h)
Motivations : Cette option est proposée aux étudiants qui désirent garder une ouverture vers la
chimie (en particulier dans un cadre de formation initiale ou continue, préparation aux concours
d’enseignement, ..). Son objectif est de consolider les acquis de licence et d’approfondir les notions
fondamentales de chimie des solutions en s’appuyant sur des exemples du quotidien.
Programme
Pré-requis :
Atomistique
(constitution
moléculaire, structures cristallines)
atome,
classification
périodique,
modèle
I Rappels sur les réactions chimiques
Les réactions acido-basiques. Les réactions de complexation, de précipitation
Oxydo-réduction : aspect cinétique et thermodynamique.
II Applications : traitements chimiques importants
Corrosion. Chimie analytique. Traitements des eaux, dépollution. Pluies acides. Acidification
des océans
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III Applications : électrochimie
Piles, Conversion d’énergie. Stockage d’énergie
Référence :
Tout-En-Un, PCSI de B. Fosset, Dunod (2ème édition) ISBN 978-2-10-054728-9
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