p. 1 UE 1 : Mécanique quantique.

ANNEXE IV.1 - Programmes des UE’s du M1 MPAD. Période 1
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UE 1 : Mécanique quantique.
Cette UE est scindée en 2 UE’s de 3 ECTS dont l'une est mutualisée avec le parcours SPACE.
Motivations : La mécanique quantique est l'un des domaines incontournables de la physique
moderne issue du XX-ème siècle. Elle a profondément changé notre façon d'appréhender la
nature et n'a, jusqu'à présent, jamais été mise en défaut expérimentalement. 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 et
d'applications techniques.
UE1-1 : Physique quantique. 3 ECTS. Equivalent horaire 30h.
Mutualisation avec le parcours SPACE.
Ce cours s'adresse à des étudiants possédant une Licence de Physique, et inscrits en M1 parcours
MPAD ou parcours SPACE. Dans l'optique où des étudiants n'auraient jamais suivi un tel enseignement
au cours de leur cursus antérieur, le contenu de ce cours abordera différents exemples de phénomènes
physiques que seule la mécanique quantique permet d'expliquer. Il prépare aux applications en physique
atomique, subatomique et moléculaire.
I- Systèmes à 2 états
II- Mécanique ondulatoire à 1D
III- Mécanique ondulatoire à 3D et liens avec la spectroscopie
IV- Addition des spins et liens avec la physique atomique et subatomique.
UE1-2 : Mécanique quantique (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 y est abordé avec une attention toute
particulière sur la notion importante de symétrie. De nouvelles applications des concepts et techniques
y seront développées.
I- Mathématiques et formalisme de la MQ
II- Théorie quantique de Schrödinger
III- Principes généraux de la mécanique quantique
IV- Addition des moments angulaires
V- 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.
Le Bellac M. Physique Quantique, EDP Sciences (2nde édition 2007, 3ème édition tomes I&II 2013).
Griffiths D.J., Introduction to Quantum Mechanics, Englewood Cliffs N.J. Prentice Hall 1995.
Sakurai J.J.,
Modern Quantum Mechanics, Addison Wesley, 1994.
Greiner W. , Quantum Mechanics: an Introduction, Springer 2001 (traduit en français)
Quantum Mechanics: symmetries, Springer 1994 (traduit en français)
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UE 2 Électromagnétisme
UE (6 ECTS, équivalent horaire 60h)
L’UE 2.1 est mutualisée avec une UE du M1- Master SPACE.
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 sera source de rayonnement, du
rayonnement émis par une charge en mouvement au modèle d’Einstein en passant par l’étude
du rayonnement thermique. L’interaction entre un atome et le rayonnement permettront
d’introduire les notions de diffusion et d’absorption. Puis nous nous intéresserons à 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. On s’intéressera à l’aspect macroscopique de la
polarisation et de l’aimantation des milieux en interaction avec cette onde électromagnétique.
La propagation sera étudiée dans les milieux transparents, dispersifs et absorbants isotropes,
dans les métaux, dans les milieux anisotropes ainsi que dans les guides d’ondes.
Indispensable à ce cours, l’état de polarisation des ondes et la notion de tenseur seront
abordés. 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 2.1 – Rayonnement
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)
UE2.2 – Propagation dans les milieux matériels
I.
Équations de Maxwell dans les milieux matériels diélectriques isotropes en régime
linéaire. (Vecteurs polarisation P et magnétisation M ; Milieux parfaits ;
Dispersion, absorption ; Équation d'onde ; Relations de Fresnel)
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)
Bibliographie :
Électromagnétisme : Fondements et applications - José-Philippe Pérez, Robert Carles, Robert
Fleckinger, Hors collection, Dunod
Polarisation - Serge Huard, Masson 1994
Principles of Optics - Max Born & Emil Wolf, ( 4th.ed.) PergamonPress 1970
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UE 3 : Physique statistique (classique)
UE de 6 ECTS (équivalent horaire 60h)
Cette UE est mutualisée avec le Master SPACE (M1).
I
Outils mathématiques :
- méthode des multiplicateurs de Lagrange
- Théorème central limite (dont notion de variables indépendantes, probabilités
conditionnelles).
- Convergence en lois et fonction de Dirac comme limite de gaussienne (cf. théorie des
distributions)
II
Marche au hasard (discrète et continue)
Limite de la loi binomiale, Poisson, Normale.
Illustrations sur les processus de Markov, les équations stochastiques, et l’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 – fonction de partition
-valeurs moyennes et fluctuations – limite thermodynamique - dérivation de la thermodynamique classique – théorème d’équipartition – Ensembles canonique, grandcanonique, T-p - équivalence des ensembles
IV
Théorie cinétique des gaz :
Distribution de Maxwell-Boltzmann – densité d’état du gaz parfait monoatomique Distribution des vitesses – vitesses moyennes - calcul de pression et équation d’état–
libre parcours moyen – temps de vol moyen
V
Transport :
Lois de Fourier – Fick – Ohm – équations bilans – versions microscopiques et
macroscopiques – coefficients de diffusion (lien avec libre parcours moyen) - lien avec
la marche au hasard
Systèmes hors-équilibre, réponse linéaire, théorème de fluctuation-dissipation
Références:
Physique statistique, Diu, Hermann
Statistical and thermal physics, Reif, MacGrawHill
Statistical mechanics, Huang, Wiley
Cours de Physique de Berkeley, physique statistique, Reif,
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UE 4 Physique expérimentale. Outils numériques.
3 ECTS 30 heures/étudiant
A - Physique expérimentale
Objectifs :
Amener les étudiants à devenir autonomes dans l’utilisation du matériel
standard du laboratoire de Physique expérimentale, pouvoir mettre en évidence un effet
physique donné par des mesures convenablement acquises, traitées et présentées, 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
Contenu
TOTAL : 3 ECTS 30 heures/étudiant
1 semaine de TPs en présentiel, comprenant :
o 8 TPs de 3h30 = 32 hTP,
o Projets personnels encadrés : 2 heures d’introduction aux projets de second
semestre.
Phase préparatoire : Le bagage nécessaire à la bonne exécution des travaux pratiques sera
mis à disposition des étudiants en cours d’année, avant le rendez-vous des TPs, 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 (incertitude), familiarisation avec le programme de visualisation et de
traitement de données Igor ProTM (Wavemetrics), bases de l’acquisition de données avec des
cartes d’acquisition (type national InstrumentsTM), génération de signaux, analyse en
fréquence (TFD).
__________________________________________
B - Outils numériques.
3 ECTS 30 heures/étudiant
- Utilisation de langages interprétés:
1- Présentation de quelques langages interprété de texte (HTML, latex), avec
éventuellement quelques logiciels de développement libres.
2- Initiation à python et des clones libres de matlab octave ou freemat.
Il s'agira de traiter quelques problèmes de physique en utilisant ces langages. On pourra
modéliser un ou plusieurs TP et en faire des simulations
Matlab étant fréquemment dans l'industrie, quelques TPs utilisant octave ou freemats peuvent
être utiles, après une expérience python.
3- Introduction à la suite Sage (http://www.sagemath.org/fr/)
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.
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UE 5.2 Option Astro 1: Initiation à l’Astrophysique
UE de 3 ECTS (équivalent horaire 30h)
UE proposée par le parcours SPACE (M1) et en option (mutualisée) dans le M1- MPAD.
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.
Programme
I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.
VIII.
Émergence de l’astrophysique Moderne
-Une brève histoire de l’astronomie et de la cosmologie
-De l’astronomie à l’astrophysique
Les sources d’information en astronomie
-Les différentes parties du spectre électromagnétique
-Les principaux processus d’émission
-Mesures: photométrie et spectroscopie depuis le sol et l’espace
L’échelle et la mesure des distances astronomiques
-Distances stellaires
-L’échelle des distances cosmiques
-Distances cosmologiques, décalage vers le rouge
-Les biais observationnels
Les étoiles, un milieu dense
- Spectres stellaires et classification, diagramme HR
- Éléments d’évolution stellaire
Le milieu interstellaire, interaction entre matière et lumière
- Éléments de transfert radiatif: définitions et équations de base
- Les différentes phases du milieu interstellaire
-Émission continue et nébulaire
Les galaxies et la distribution de matière dans l’univers
-Introduction aux galaxies
-Distribution spatiale des galaxies
- La formation des galaxies: le paradigme actuel
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
Les compagnons des étoiles, systèmes planétaires
-Système solaire
-Exo-planètes
Bibliographie:
*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
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UE 5.2 – Option Chimie 1 : Chimie et environnement
UE de 3 ECTS (équivalent horaire 30h cours-TD)
Motivations
Cette option est proposée aux étudiants qui désirent garder une ouverture vers la chimie.
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 atome, classification périodique, modèle moléculaire, structures
cristallines)
I Rappels sur les réactions chimiques
- Les réactions acido-basiques
- Les réactions de complexation
- Les réactions de précipitation
- Oxydo-réduction : aspect cinétique et thermodynamique.
II Applications : traitements chimiques
- Corrosion
- Chimie analytique
- traitements des eaux, dépollution
- pluies acides
- acidification des océans
III Applications : électrochimie
- piles
- conversion d’énergie
- stockage d’énergie
Bibliographie:
Tout-En-Un, PCSI de B. Fosset, Dunod (2ème édition) ISBN 978-2-10-054728-9