ANNEXE IV.1 - Programmes des UE’s du M1 MPAD. Période 1 p. 1 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. UE 1-1 : Mécanique quantique A : Physique quantique. Mutualisation avec le parcours SPACE. 3 ECTS. Equivalent horaire 30h. 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. 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 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) ANNEXE IV.1 - Programmes des UE’s du M1 MPAD. Période 1 p. 2 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 – Électromagnétisme A : 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) UE 2.2 – Électromagnétisme B et Optique approfondie 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 ANNEXE IV.1 - Programmes des UE’s du M1 MPAD. Période 1 p. 3 UE 3 : Physique statistique (classique) UE de 6 ECTS (équivalent horaire 60h) Cette UE est mutualisée avec le Master SPACE (M1). 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 et 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. 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. ANNEXE IV.1 - Programmes des UE’s du M1 MPAD. Période 1 p. 4 UE 4 Physique expérimentale. Outils numériques. Cette UE, de 6 ECTS 60 heures/étudiant, comporte deux types d’enseignements de volumes horaires équivalents: - l’un centré sur la notion d’ « expérimentation » - l’autre plus axé sur les outils numériques Une certaine symbiose entre les deux types d’enseignements est naturellement nécessaire. 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 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. 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. On pourra par exemple penser aux travaux de Fermi, Pasta et Ulam (FPU 1955) qui ont voulu vérifier la relaxation vers un état d'équilibre au sens thermodynamique d'une chaîne d'oscillateurs non linéaires, et cela en partant des équations microscopiques du mouvement. Depuis, l'informatique s'est imposée dans quasiment tous les domaines de la physique, et est utilisée massivement dans l'industrie, pour laquelle la "virtualisation" des phénomènes permet souvent, non seulement des économies en évitant de nombreuses expériences coûteuses, mais aussi de raccourcir la conception d'avions, de voitures, de circuits électroniques, etc.… ANNEXE IV.1 - Programmes des UE’s du M1 MPAD. Période 1 p. 5 Nous nous appuierons sur des logiciels libres émanant du mouvement GNU (http://www.gnu.org/) et FSF (http://www.fsf.org/). Compétences visées Maîtrise du logiciel de mises en page de documents scientifique : Latex (http://www.latex-project.org/), et d'éditeurs utilisant cet outil comme par exemple lyx (http://www.lyx.org), codage de documents, lien avec HTML et XML Maîtrise de la programmation pour simuler des phénomènes physiques. nous nous appuierons sur un langage interprété, le langage PYTHON (https://www.python.org/). Après une prise en main du langage, différent petit projets de simulations seront proposés. Il s'agira également de sensibiliser les étudiants à la réflexion sur le temps de calcul (complexité et scalalbilité de l'algorithme), et aussi d'insister sur les aspects validation 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. Bibliographie: De nombreux ouvrages traitent de cette problématique, en particulier (ouvrage récent) Computational Physics (http://www personal.umich.edu/~mejn/computationalphysics/ ). Il y a aussi l'incontournable « numerical recipes » pour des aspects ponctuels. ANNEXE IV.1 - Programmes des UE’s du M1 MPAD. Période 1 p. 6 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 ANNEXE IV.1 - Programmes des UE’s du M1 MPAD. Période 1 UE 5.2 OPTION p. 7 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