L`Agrégation Fantastique

Plans de leçons et montages
L’agrégation fantastique
Épisode(s) de la vie d’un agrégatif
Erwan Allys, Olivier Fauvarque
2013-2014

TABLE DES MATIÈRES E. Allys, O. Fauvarque, 2013-2014
Table des matières
1 Préambule 4
1.1 Présentation............................................. 4
1.2 Notessurlesréférences....................................... 6
1.3 Remerciements ........................................... 7
2 Leçons de Physique V. Allys 8
2.1 Contact entre deux solides. Frottement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Caractère non galiléen du référentiel terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Approximation gyroscopique. Effets dans les domaines macroscopiques et microscopiques . . 13
2.4 Lois de conservation en dynamique des système . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5 Cinématiquerelativiste....................................... 17
2.6 Dynamiquerelativiste ....................................... 19
2.7 Notion de viscosité d’un fluide. Écoulements visqueux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.8 Modèle de l’écoulement parfait d’un fluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.9 Phénomènes interfaciaux impliquant des fluides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.10Gazparfait,gazréels........................................ 25
2.11 Premier principe de la thermodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.12 Évolution et condition d’équilibre d’un système thermodynamique fermé . . . . . . . . . . . 28
2.13 Application des deux premiers principes aux machines thermiques . . . . . . . . . . . . . . 30
2.14 Étude thermodynamique d’un système constitué par un corps pur sous plusieurs phases . . 31
2.15 Étude statistique d’un système en contact avec un thermostat. Probabilité canonique . . . . 33
2.16 Rayonnement d’équilibre. Corps noir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.17PhénomènesdeTransport..................................... 37
2.18 Flux conductifs, convectifs, radiatifs, bilans thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.19 Conversion de puissance électromécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.20 Induction électromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.21 Résonance magnétique nucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.22Rétroactionetoscillation ..................................... 45
2.23 Traitement analogique d’un signal électrique, étude spectrale . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.24 Ondes progressives, Ondes stationnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.25Ondesacoustiques ......................................... 51
2.26 Propagation dans un milieu dispersif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.27 Propagation guidée des ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.28 Ondes électromagnétiques dans un milieu diélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.29 Ondes électromagnétiques dans les milieux conducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.30 Propriétés et applications du rayonnement dipolaire électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.31 Présentation de l’optique géométrique à partir du principe de Fermat . . . . . . . . . . . . . 61
2.32 Interférences à deux ondes en optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.33 Interféromètres à division d’amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.34DiffractiondeFraunhofer ..................................... 67
2.35 Diffraction par des structures périodiques dans différents domaines de la physique . . . . . . 69
2.36 Absorption et émission de la lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.37 Aspects corpusculaires du rayonnement. Notion de photon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.38 Aspects ondulatoires de la matière. Notion de fonction d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.39 Confinement de l’électron et quantification de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.40EffetTunnel............................................. 78
2.41Fission,Fusion ........................................... 79
2.42 Oscillateur à deux degrés de liberté en mécanique classique et en mécanique quantique . . . 80
2.43 La molécule : stabilité, énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.44 Capacités thermiques : description, interprétation microscopique . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.45 Paramagnétisme, ferromagnétisme : approximation du champ moyen . . . . . . . . . . . . . 86
2.46 Propriétés macroscopiques des corps ferromagnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.47 Mécanismes de la conduction électrique dans les solides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
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TABLE DES MATIÈRES E. Allys, O. Fauvarque, 2013-2014
2.48 Phénomènes de résonances dans différents domaines de la physique . . . . . . . . . . . . . . 90
2.49 Oscillateurs, portraits de phase et non-linéarités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3 Leçons de Physique V. Fauvarque 93
3.1 Contact entre deux solides. Frottement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.2 Caractère non galiléen du référentiel terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.3 Approximation gyroscopique. Effets dans les domaines macroscopique et microscopique . . . 98
3.4 Cinématiquerelativiste.......................................100
3.5 Notion de viscosité d’un fluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.6 Modèle de l’écoulement parfait d’un fluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.7 Phénomènes interfaciaux impliquant des fluides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.8 Application des deux premiers principes aux machines thermiques . . . . . . . . . . . . . . 106
3.9 Étude statistique d’un système en contact avec un thermostat. Probabilité canonique . . . . 108
3.10 Rayonnement d’équilibre thermique. Corps noir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.11Phénomènesdetransport .....................................112
3.12 Induction électromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.13 Résonance magnétique nucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.14 Ondes progressives, ondes stationnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.15Ondesacoustiques .........................................120
3.16 Propagation dans un milieu dispersif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.17 Propagation guidée des ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.18 Ondes électromagnétiques dans les milieux diélectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.19 Ondes électromagnétiques dans les milieux conducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.20 Présentation de l’optique géométrique à l’aide du principe de Fermat . . . . . . . . . . . . . 129
3.21 Interférences à deux ondes en optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.22 Interféromètres à division d’amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.23DiffractiondeFraunhofer .....................................135
3.24 Diffraction par des structures périodiques dans différentes domaines de la physique . . . . . 136
3.25 Absorption et émission de la lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
3.26 Aspects corpusculaires du rayonnement. Notion de photon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.27 Confinement de l’électron et quantification de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.28Effettunnel.............................................143
3.29Fusion,fission............................................144
3.30 Paramagnétisme, ferromagnétisme. Approximation du champ moyen . . . . . . . . . . . . . 146
3.31 Propriétés macroscopiques des corps ferromagnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
3.32 Mécanisme de la conduction électrique dans les solides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
3.33 Phénomènes de résonance dans différents domaines de la physique . . . . . . . . . . . . . . 152
3.34 Oscillateurs. Portraits de phase et non-linéarités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4 Montages de Physique 155
4.1 DynamiqueNewtonienne......................................156
4.2 SurfacesetInterfaces........................................157
4.3 Dynamiquedesfluides.......................................158
4.4 Capteurs de grandeurs mécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.5 Mesuresdetempératures......................................161
4.6 Transitionsdephase ........................................162
4.7 Instrumentsd’optique .......................................163
4.8 Interférenceslumineuses......................................164
4.9 Diffraction des ondes lumineuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.10Spectrométrieoptique .......................................166
4.11 Émission et absorption de la lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.12Photorécepteurs...........................................168
4.13 Biréfringence et Pouvoir Rotatoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4.14PolarisationdesondesEM.....................................170
4.15 Production et mesure de champs magnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.16Milieuxmagnétiques ........................................172
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TABLE DES MATIÈRES E. Allys, O. Fauvarque, 2013-2014
4.17Métaux ...............................................173
4.18 Matériaux semi-conducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
4.19Effetscapacitifs...........................................175
4.20Induction,auto-induction .....................................176
4.21 Production et Conversion d’énergie électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
4.22Amplificationdesignaux......................................178
4.23 Mise en forme, transport et détection de l’information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
4.24 Acquisition, analyse et traitement des signaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
4.25 Mesures de fréquences temporelles (domaine de l’optique exclu) . . . . . . . . . . . . . . . . 182
4.26Mesuresdelongueurs........................................183
4.27Systèmesbouclés..........................................184
4.28 Instabilités et phénomènes non-linéaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
4.29 Ondes, propagation et conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
4.30Acoustique .............................................187
4.31Résonances .............................................188
4.32Couplagedesoscillateurs......................................189
4.33Régimestransitoires ........................................190
4.34Phénomènesdetransport .....................................191
4.35Moteurs ...............................................192
5 Leçons de Chimie 193
5.1 Chimieetcouleur..........................................194
5.2 Stéréochimie ............................................195
5.3 Solubilité ..............................................196
5.4 Conversion d’énergie chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5.5 Séparation, purification, contrôle de pureté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
5.6 Matériauxpolymères........................................199
5.7 Chimie et développement durable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.8 Synthèsesinorganiques.......................................201
5.9 Stratégie en synthèses organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.10Dosageparétalonnage.......................................204
5.11Dosagepartitrage .........................................205
5.12 Optimisation des cinétiques de réaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
5.13 Synthèse organique : caractérisation par spectroscopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
5.14 Relation structure réactivité en chimie organique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
5.15 Réaction chimique par échange de proton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
5.16Capteursélectrochimiques.....................................211
5.17Moléculesdelasanté........................................212
5.18 Structures et propriétés des molécules du vivant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
5.19Solvants...............................................215
5.20Classificationpériodique......................................216
5.21Solidescristallins..........................................218
5.22 Réactions d’oxydoréduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
5.23Réactionsdeprécipitation.....................................220
5.24 Dosage suivi par potentiométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
5.25Dosagesacido-basiques.......................................222
5.26Cinétiquehomogène ........................................223
5.27 Évolution et équilibre chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
5.28 Optimisation d’un processus de synthèse industrielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
5.29Hydrométallurgie..........................................227
5.30DiagrammesE-pH .........................................228
5.31 Corrosion humide des métaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
5.32 Configuration et conformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
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1 PRÉAMBULE E. Allys, O. Fauvarque, 2013-2014
Préambule
Présentation
Quand on prépare l’agrégation de physique, il est toujours utile d’avoir des plans pour s’aider à travailler
les oraux. C’est dans ce but que ce document a été rédigé. Élèves à l’ENS de Paris, nous avons tout deux
préparé l’agrégation de physique lors de l’année 2013-2014 (nous y avons d’ailleurs été reçus premier et
deuxième), à l’ENS Paris dans les locaux de Montrouge. C’est lors de cette année que nous avons rédigé
progressivement tous nos plans qui sont ici remis au propre. Nous les avons discutés systématiquement au
moins à deux et bien souvent avec d’autres camarades de la préparation.
Que les choses soient claires : bien que pouvant être d’une grande aide, ce document n’a pas pour but de
vous donner des plans tout faits que vous pourrez utiliser directement. En effet, lors de la préparation d’une
leçon, l’impératif premier pour le candidat sera de se l’approprier. Les plans ici fournis ne devront donc
lui apparaître que comme de la matière brute. Il devra ensuite s’efforcer d’établir sa propre articulation de
leçon quitte à bouleverser complètement nos plans (nous n’avons aucune prétention quant à présenter les
plans qui assureront une bonne note le jour de l’oral, ils ne correspondent qu’à notre sensibilité physique,
ils ne sont qu’une proposition). Nous mettons donc particulièrement en garde ceux qui voudraient juste
recopier des plans pour finir vite la préparation aux oraux, cette démarche très cavalière risquant de coûter
cher le jour J.
Une bonne année de préparation à l’agrégation se décompose selon nous en deux parties. Commencer
dès le début de l’année à rédiger ses plans de leçons et montages semble une mauvaise chose. Il faut en
effet commencer par s’assurer une bonne maîtrise des connaissances de base. Celle-ci établie, une certaine
forme de recul émergera et permettra d’obtenir une vision d’ensemble quant aux leçons. Il sera alors plus
aisé d’identifier ce qui est attendu dans chacune de celles-ci.
Ainsi, nous conseillons d’utiliser la première partie de l’année pour reprendre son cours et le maitriser
une bonne fois pour toute. Dans ce but, une reprise honnête et assez approfondie de tous les domaines non
maitrisés semble incontournable. Pour l’application de ces cours et la reprise des domaines déjà maitrisés,
l’idéal est de commencer très tôt à faire des sujets d’écrits, en se restreignant surtout aux compositions
(il est facile d’apprendre assez vite à trouver les corrigés sur BupDoc). Avoir fait au moins une dizaine de
compositions en entier, voire même une vingtaine (et sans laisser de coté les sujets incontournables) semble
un minimum. En travaillant ces compositions, qui sont pour la plupart très bien faites, on ciblera aussi
mieux les attentes en terme de niveau à l’agrégation, et on complétera en profondeur sa compréhension
des sujets abordés. Il est bien entendu évident que ce travail sera très utile pour les épreuves écrites.
En parallèle, participer activement aux préparations de leçons est important, pour apprendre ce qu’est
vraiment une leçon d’agrégation. C’est en effet progressivement, et dans la deuxième partie de la prépara-
tion des écrits, qu’il faudra commencer à préparer ses plans de leçons, en débutant par les domaines où une
bonne compréhension était présente initialement. L’apprentissage se fera de toute façon par la pratique.
Dans ce cadre, le travail d’équipe est très important. Il est en effet très fréquent (particulièrement en début
d’année) de se lancer tête baissée dans une voie un peu trop exotique alors que ce "lyrisme" aurait été très
vite repéré dans une discussion avec d’autres agrégatifs. 1Discutez-donc en groupe de vos idées, cela ne
fera que les améliorer !
Remarques quant à la leçon de physique
Pour commencer, il est nécessaire de se persuader que le ciblage du niveau et des pré-requis est fonda-
mental. Il ne faut pas partir sur un exercice qu’on veut faire en particulier, mais vraiment se demander :
"D’où part-on ? Jusqu’où ira-t-on ? Quelles idées principales veut-on faire passer ?". La construction du plan
en découlera naturellement. Il sera également utile de savoir identifier rapidement les éléments dispensables
à la leçon.
Les plans de leçon présentés dans ce document sont en double. En effet, même si toutes les leçons ont
été discutées entre nous, nous avons tous les deux des sensibilités physiques différentes, ce qui mène à des
plans différents. On notera d’ailleurs que pour deux plans similaires, les descriptions de ceux-ci peuvent
quand même être très différentes, ce qui est surtout dû à notre façon propre de les décrire. Il peut toujours
1. Pour donner un exemple quant à ce fameux travail de groupe, nous avons pendant l’année effectué une série d’oraux
blancs, que nous corrigions entre nous. Avec le recul, nous pouvons affirmer que ces leçons furent celles que nous ressentions
comme les mieux préparées. D’autre part, le fait de se mettre à la place du jury permet aussi de visualiser les choses de façon
très différente, et apporte donc un point de vue très intéressant sur les attentes à avoir d’un oral.
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