Physique III

Enseignants

. SOMEBODY; Charlier Jean-Christophe; Louveaux Jérôme; Oestges Claude (coordinateur(trice));

Langue
d'enseignement

Français

Préalables

Ce cours suppose acquises les notions de mathématiques et de physique telles qu'enseignées dans les cours LEPL1101, LEPL1102, LEPL1105 , LEPL1201 et LEPL1202

Le(s) prérequis de cette Unité d’enseignement (UE) sont précisés à la fin de cette fiche, en regard des programmes/formations qui proposent cette UE.

Thèmes abordés

Deux thèmes sont abordés :

• Le premier thème concerne la physique des ondes, avec un accent particulier mis sur les ondes électromagnétiques. Il débute par l’établissement des équations de Maxwell et se poursuit par la  dérivation de l'équation d'ondes à partir de celles-ci (ou à partir des équations de la mécanique), en en présentant les solutions générales. Il s'attache ensuite à décrire les propriétés des ondes (longueur d'onde, vitesse, effet Doppler, polarisation,...), puis examine le comportement des ondes à l'interface entre deux corps (équations de Snell et de Fresnel). Il étudie ensuite les phénomènes d'interférence et de diffraction en faisant usage d’une notation des champs sous forme complexe, puis aborde les ondes stationnaires et la notion de paquet d’ondes. Il se termine par l’étude de la génération des ondes électromagnétiques (antennes et dipôles oscillants).
• Le second thème est une introduction à la physique quantique : en s'appuyant sur la notion d'ondes, il s'attache à montrer la continuité et la radicale nouveauté de la physique quantique par rapport à la physique classique. Il présente les limites de la physique classique et la réponse apportée par la physique quantique (dualité onde-particule, principe d’incertitude de Heisenberg, équation de Schrödinger), en s'appuyant sur les concepts vus dans le premier thème. Il montre l'intérêt de la physique quantique pour résoudre des problèmes simples, et termine par une brève justification des propriétés des atomes (atome d'hydrogène), permettant de faire le lien vers la notion d'orbitale nécessaire pour comprendre la chimie et celle de structure de bandes utilisée en physique de l’état solide.

Acquis
d'apprentissage

A la fin de cette unité d’enseignement, l’étudiant est capable de :
1	Contribution du cours au référentiel du programme: Eu égard au référentiel AA du programme « Bachelier en Sciences de l'Ingénieur, orientation ingénieur civil », ce cours contribue au développement, à l'acquisition et à l'évaluation des acquis d'apprentissage suivants : - AA 1.1 - AA 2.7 - AA 3.2 - AA 4.2, 4.5 Acquis d'apprentissage spécifiques au cours: Plus précisément, au terme du cours, l'étudiant sera capable de : - d'écrire les équations de Maxwell pour le champ électromagnétique et d'en expliquer les différents termes; - d'établir l'équation d'ondes à partir des principes de base de la physique classique (équations de Maxwell et équations de Newton), et de donner la forme générale de la solution pour une onde électromagnétique ou mécanique; - d'identifier les caractéristiques d'une onde périodique (fréquence, longueur d'onde, vitesse) et les conséquences de l'effet Doppler sur celles'ci; - d'énoncer les polarisations possibles pour divers types d'ondes et de représenter une onde plane de polarisation donnée par une expression mathématique appropriée; - d'énoncer, expliquer et justifier mathématiquement les manifestations des phénomènes de réfraction et de réflexion, et les manifestations physiques associées à la superposition spatiale d'ondes cohérentes: interférences entre sources multiples ponctuelles ou étendues (dans l'approximation de Fraunhofer), diffraction, ondes stationnaires, battements; - d'expliquer de manière simple l'origine du rayonnement électromagnétique et calculer l'intensité du rayonnement à distance d'une source élémentaire; - d'expliquer de manière simple les limites de la physique classique et de l'origine de la physique quantique; - d'utiliser les expressions mathématiques des phénomènes abordés au cours pour résoudre numériquement des petits problèmes mettant en jeu ces phénomènes; de mettre certains de ces phénomènes en évidence expérimentalement et en mesurer les caractéristiques de base.

Contenu

Partie 1 : Ondes
1.1. Courant de déplacement – approche intégrée des phénomènes électromagnétiques
1.2. Les équations de Maxwell et l'équation d'onde
1.3. Solutions de l'équation d'onde; ondes mécaniques
1.4. Polarisation; réflexion et réfraction
1.5. Interférences
1.6. Diffraction
1.7. Ondes stationnaires
1.8. Rayonnement électromagnétique et antennes
Partie 2 : Physique quantique                  
2.1. Dualité onde-particule, Principe d’incertitude de Heisenberg
2.2. Equation de Schrödinger et fonction d'onde
2.3. Particules quantiques, puits de potentiel et effet tunnel
    2.4. Modèle de l'atome d'hydrogène et structure de bande des cristaux

Méthodes d'enseignement

Les activités seront organisées en mode co-modal:
- cours magistraux (CM).
- apprentissage en groupes par exercices (APE), par problèmes (APP) ou laboratoire (LABO).

Modes d'évaluation
des acquis des étudiants

L'évaluation repose sur

• un examen écrit en session à l'issue du quadrimestre, réparti en 2/3 pour la partie ondes et 1/3 pour la partie mécanique quantique
• la participation (obligatoire) aux laboratoires (malus de 1pt par absence non justifiée).

Une interrogation (non-certificative) de mi-quadrimestre est organisée pour permettre une évaluation intermédiaire;
Les étudiants disposent pour l'examen d'un formulaire établi par les enseignants et disponible sur le site du cours.

Ressources
en ligne

Moodle: https://moodleucl.uclouvain.be/course/view.php?id=7223

Faculté ou entité
en charge

BTCI