Master 1 EPO (Ecoulements, Physique des Matériaux, Optique)

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1 Master 1 EPO (Ecoulements, Physique des Matériaux, Optique) Présentation générale Programme du Master 1 Détail des enseignements par UE Présentation générale Le Master 1 EPO est le socle qui permet ensuite une orientation vers différentes spécialités de deuxième année de master (professionnel ou recherche) proposées à l Université de Rouen : DIODE, EFE et PM ; ainsi que la «Préparation à l Agrégation de Sciences Physiques, option Physique», la Spécialité SPIMR, et des enseignements optionnels pour la Spécialité CEPMI. 1. Laboratoires sur lesquels repose le M1 Laboratoire CORIA, UMR CNRS 6614 (Complexe de Recherche interprofessionnel en aérothermochimie) Laboratoire GPM, UMR CNRS 6634 (Groupe de physique des Matériaux). Départements ou disciplines de formation Le Département de Physique de l U.F.R. des Sciences est le principal département participant à l organisation pédagogique du niveau M1. Sont également impliqués, avec une moindre importance, le Département de Mathématiques et le Département de Langues et Communication de l Université de Rouen

2 3. Localisation des enseignements Les enseignements ont lieu sur le site du Madrillet. Toutefois, certains enseignements pratiques sont encore dispensés sur le site de Mont-Saint-Aignan dans les locaux de l IUT de Rouen (entre 0 et 30 heures selon les choix d options). Objectifs pédagogiques du Master 1 a. 1 er semestre : Un socle théorique de connaissances de base L objectif du premier semestre de ce niveau M1 est de fournir un socle commun de connaissances dans l ensemble des disciplines scientifiques suivantes : Mécanique des fluides, des solides et des transferts, Physique de la matière, Mathématiques et Analyse Numérique à tous les étudiants, quelle que soit leur origine. Il est composé de quatre modules dont l enseignement est réparti en cours et T.D. comme présenté ci-après. Cette culture commune permet d intégrer des étudiants d origines variées, assurant ainsi la richesse des profils en sortie de Master. De plus, elle leur donne la possibilité de s orienter, ou de se réorienter. b. ème semestre : choix conseillé vers l autonomie scientifique Le second semestre propose au choix des U.E. d approfondissement scientifique. Ceci permet à l étudiant de teinter plus ou moins fortement son orientation vers une des Spécialités du Master. Citons ainsi trois orientations précises, d où le M1 EPO tire son nom : Ecoulements, Physique des matériaux, Optique. c. Les «outils» de l acquisition des connaissances Les mathématiques et l analyse numérique étant des outils essentiels pour la maîtrise des disciplines enseignées tant sur un plan théorique qu applicatif, les U.E. «Mathématiques, Analyse Numérique, Anglais» sont obligatoires. Par ailleurs, les U.E. optionnelles ont été conçues en accordant une large part à la pratique expérimentale sous forme de T.P., mini-projets ou stage en laboratoire. Cette diversification des processus d acquisition des connaissances tient au fait qu elle apparaît comme facteur de qualité d assimilation et de réussite des étudiants. Un enseignement (facultatif) d Histoire et Méthode des Sciences qui présente l évolution de la pensée scientifique dans sa dynamique, permet de mieux appréhender la démarche nécessaire à tout praticien des sciences actuel. d. Stage en laboratoire Le stage en laboratoire (optionnel) permet à l étudiant de découvrir le travail du chercheur au sein d une équipe de l un des laboratoires intervenant dans le M1 EPO. Le stage se déroule à raison de séances de 4 heures par semaine, pendant 10 semaines. e. L Anglais scientifique L Anglais comme langue de communication internationale scientifique et technique nécessite investissement et pratique régulière de la part de l étudiant. 18 heures obligatoires sont ainsi consacrées semestriellement à cet enseignement. Les actions développées portent autour de thèmes scientifiques et techniques conduisant à une meilleure maîtrise de l oral et de l écrit. Les étudiants 1. Leur origine : Les étudiants susceptibles de s'inscrire dans ce M1 sont issus des formations universitaires niveau Bac+3 (180 ECTS), françaises ou étrangères, centrées sur les sciences mécaniques, physiques, des

3 matériaux et mathématiques appliquées aux sciences, une culture en chimie donnant une coloration supplémentaire intéressante au profil. Sur le plan de notre Université, cela touche la Licence de Sciences et Techniques «Mécanique, Physique, Matériaux», mais aussi les étudiants du parcours Mathématiques Appliquées (MA) de la Spécialité Mathématiques Pures et Appliquées (MPA) de la Mathématiques. Est également concernée toute personne pouvant faire valoir un niveau Bac+3 par validation d acquis professionnel et de l expérience dans les disciplines définies ci-dessus. Les étudiants ayant obtenu 180 ECTS dans une formation universitaire européenne centrée sur les disciplines sus-mentionnées sont également visés, notamment par le biais des programmes d échanges SOCRATES-ERASMUS. Une ouverture à d autres pays que ceux de l Espace Européen de l Education est souhaitée, en particulier avec les pays dont certaines de leurs Universités ont dès à présent des contacts avec les laboratoires de la formation.. Les principaux critères de sélection (pré-requis,...) Les dossiers des étudiants des formations françaises et étrangères justifiant de l obtention d une formation Licence ou équivalente axée sur les disciplines pré-citées (180 ECTS), seront étudiés par la Commission d Evaluation. Il n est pas exigé d un étudiant d avoir un «haut niveau» de formation dans toutes les disciplines de base dispensées par EPO. Le tronc commun M1 EPO est prévu pour accueillir des étudiants ayant une connaissance de base solide au moins dans l un des domaines suivants : mécanique des fluides, des solides et des transferts ; propagation des champs dans le vide et les milieux matériels ; structure et propriété de la matière. Un socle «minimal» sera demandé dans les champs des disciplines non dominantes afin de faciliter leur apprentissage. Un bagage mathématique de base et une expérience de la pratique expérimentale et/ou numérique sont nécessaires. Les U.E sont conçues de telle manière que l enseignement dispensé démarre d un niveau d apprentissage «élémentaire» accessible à tous, tenant compte de leur origine diversifiée de Licence. Afin de permettre une intégration efficace des différents publics estudiantins, la faculté d interagir face à des connaissances nouvelles et la motivation sont des critères importants. Ainsi, une audition des candidats retenus sur dossiers pourra être demandée avant la décision finale de la Commission d inscrire un étudiant dans la formation. Programme du Master 1 Semestre / UE 1 er semestre (S1) U.E. 1.1 : Coef = ECTS 7 CM TD TP Durée / Etudiant en présentiel En heures 7 Physique des Milieux Matériels, Optique des Milieux Anisotropes Physique Statistique 3

4 U.E. 1. : Semestre / UE Coef = ECTS 7 CM TD TP Durée / Etudiant en présentiel En heures 7 Mécanique Quantique Physique atomique, Ou Simulation et modélisation numérique avancée Electronique U.E. 1.3 : Mécanique des Fluides et des Solides, Transferts Thermiques Ou Mécanique des Fluides Physique des Solides I, Transferts Thermiques U.E. 1.4 : Analyse Numérique I Mathématiques I, Anglais I Total 1 er semestre (S1) ème semestre (S) U.E..1 : 9 78 Analyse Numérique II, Mathématiques II, Anglais II U.E.. : 1 option au choix U.E.. 1 : Relativité et physique sub-atomique U.E.. : Physique des Solides II, Matériaux et nanosciences U.E..3 : Mécanique des Fluides U.E..4 : Optique laser U.E..5 : Transferts thermiques U.E..6 : Stage (en laboratoire) Histoire et Méthode des Sciences h / semaine pendant 10 semaines

5 Semestre / UE U.E..3 : 1 option au choix Coef = ECTS 7 CM TD TP Durée / Etudiant en présentiel En heures 7 U.E..31 : Relativité et physique sub-atomique U.E..3 : Physique des Solides II, Matériaux et nanosciences U.E..33 : Mécanique des Fluides U.E..34 : Optique laser U.E..35 : Transferts thermiques U.E..36 : Stage Histoire et Méthodologie des Sciences U.E..4 : 1 option au choix h / semaine pendant 10 semaines U.E..41 : Relativité et physique sub-atomique U.E..4 : : Physique des Solides II, Matériaux et nanosciences U.E..43 : Mécanique des Fluides U.E..44 : Optique laser U.E..45 : Transferts thermiques U.E..46 : Stage Histoire et Méthodologie des Sciences h / semaine pendant 10 semaines Total ème semestre 7 (S) Total Master 1 ère année 564 ou Détail des enseignements par UE U.E. 1.1 : PHYSIQUE DES MILIEUX MATERIELS, OPTIQUE DES MILIEUX ANISOTROPES ET PHYSIQUE STATISTIQUE

6 Semestre où elle peut être suivie 1 er Acquérir les connaissances fondamentales dans le domaine de la physique des milieux matériels (propriétés élastiques, diélectriques, magnétiques et optiques) Connaître et utiliser les postulats fondamentaux de la physique statistique Nature des activités pédagogiques Cours Magistral : 36 heures T.D. : 36 heures Travail personnel estimé (hors 7 h Physique des Milieux Matériels (HC, HTD) - Electromagnétisme des milieux matériels : polarisation et aimantation, équations de Maxwell; potentiel et champ créés par un milieu polarisé ou aimanté - Propriétés diélectriques : Etude macroscopique (permittivité, susceptibilité, champ dépolarisant) ; étude microscopique (champ local, polarisabilité, mécanismes de polarisation, ferroélectricité, pyroélectricité, piézoélectricité) - Propriétés magnétiques : Etude macroscopique (perméabilité, susceptibilité, champ démagnétisant) ; étude microscopique (moment magnétique atomique, diamagnétisme, paramagnétisme, ferromagnétisme). Optique des milieux anisotropes (HC, HTD) - Rappels polarisation, Propagation : Propagation d une onde EM dans un conducteur, dans un plasma ; rayonnement dipolaire - Milieux biréfringents : Surface des indices ; ellipsoïde des indices ; propagation des ondes dans un milieu biréfringent ; exemples, applications : séparation de polarisation,.. ; modulation électro-optique - Propagation dans un milieu non-linéaire : Doublage de fréquence ; accord de phase ; auto-corrélateur d ordre deux Physique statistique ( HC, HTD) - Introduction : l'ensemble microcanonique : définition ; probabilité des états microscopiques ; entropie ; autres grandeurs thermodynamiques ; exemple d'application. - Autres ensembles statistiques ensembles canonique et grand canonique : définitions ; distributions de probabilités ; relations thermodynamiques ; équivalence entre ensembles statistiques - Systèmes de particules identiques statistique d'une particule et statistique du système de particules identiques statistiques quantiques :distributions de Fermi-Dirac, de Bose-Einstein et de Maxwell-Boltzmann, applications : gaz de Fermi, condensation de Bose, rayonnement de corps noir. U.E. 1. : MECANIQUE QUANTIQUE, PHYSIQUE ATOMIQUE

7 Semestre où elle peut être suivie Nature des activités pédagogiques Travail personnel estimé (hors 1 er Acquérir les connaissances fondamentales dans le domaine de la physique de l infiniment petit Connaître et utiliser les concepts fondamentaux de la mécanique quantique Cours Magistral : 36 heures T.D. : 36 heures 7 h Mécanique quantique (18h cours-18h TD) - Produit tensoriel d espaces vectoriels - Rappels : Moment cinétique, Atome d hydrogène - Méthodes d approximation indépendantes du temps - Addition des deux moments cinétiques - Spin de l électron. Fonction d onde tenant compte du spin. - Lagrangien et Hamiltonien. Effet d un champ électromagnétique. - Système de particules identiques. Applications Physique atomique (18h cours-18h TD) - Onde et photon. Quantification de l énergie et de la quantité de mouvement - Probabilités de transitions radiatives - Modèle planétaire classique de l atome. Diffusion de Rutherford. Spectres de rayons x - Moment cinétique et magnétique. - Atomes à plusieurs électrons. Configurations électroniques. Couplages. Structure fine - Spectroscopie des atomes à 1 et électrons - Atomes dans un champ extérieur. Effet Zeeman. Effet Stark U.E. 1.3 : MECANIQUE DES FLUIDES ET DES SOLIDES, TRANSFERTS THERMIQUES Semestre où elle peut être suivie 1 er Comprendre les différentes lois de conservation de la mécanique et de la thermique Manipuler les représentations élémentaires et résoudre les problèmes caractéristiques de la mécanique et de la thermique Nature des activités pédagogiques Cours Magistral : 37 heures T.D. : 35 heures Travail personnel estimé (hors 7 h

8 Lois générales de Conservation : masse, quantité de mouvement et énergie Mécanique des fluides - Statique; - Choix prévalant entre les modélisations d Euler et de Navier-Stockes suivant les grands domaines d application; - Navier-Stockes: solutions élémentaires laminaires stationnaires et instationnaires - Euler : écoulement potentiel, vecteur tourbillon. Applications : goutte Mécanique des solides déformables - RDM - Elasticité isotrope linéaire, St Venant; - Approche 1-D : barre, traction, flexion, sollicitations simples ; -D : plans, plaques minces ; - thermo-élasticité; - notion de plasticité ; Transferts thermique - Equation de bilan thermique ; - Conduction 1-D : stationnaire, ailettes ; instationnaire en milieu non-infini; - Rayonnement : grandeurs photo-énergétiques (luminance, éclairement ) ; corps noir, gris, gris par morceaux ; - Convection : Introduction de nombres sans dimension, similitude ; étude de lois globales d échanges (formules ou abaques) en convections naturelle et forcée. U.E. 1.4 : ANALYSE NUMERIQUE I, MATHEMATIQUES I, ANGLAIS I ECTS 9 Semestre où elle peut être suivie 1 er Reconnaître et résoudre les familles d équations à la base de la modélisation des problèmes de la physique Maîtriser les outils mathématiques nécessaires à la résolution des équations de la physique Acquérir les bases d anglais nécessaires à la communication orale et écriture en science. Nature des activités pédagogiques Cours Magistral : 4h T.D. : 30 T.P. : 4 Travail personnel estimé (hors 78h Analyse numérique hc 4hTP : - Introduction aux équations aux dérivées partielles - Classification : Systèmes hyperboliques, paraboliques et elliptiques - Formulation des équations : conservatives, caractéristiques - Résolution par Différences finies Mathématiques hc htd : - Equations aux dérivées partielles (méthode de séparation des variables, méthode de Lagrange-Cauchy ) - Fonction d'une variable complexe (méthode des résidus) Anglais 18h TD

9 U.E..1 : ANALYSE NUMERIQUE II, MATHEMATIQUES II, ANGLAIS II ECTS 9 Semestre où elle peut être suivie ème Ecrire des solveurs, petits codes de mécanique des fluides ou de solides Maîtriser les outils mathématiques nécessaires d une part à l analyse et la décomposition des fonctions et signaux de la physique et d autre part à l approche statistique Acquérir les bases d anglais nécessaires à la communication orale et écriture en science. Nature des activités pédagogiques Cours Magistral : 4h T.D. : 30 T.P. : 4 Travail personnel estimé (hors 78h Analyse numérique hc 4hTP : - Résolution des équations aux dérivées partielles par : méthodes de types volumes finis, introduction aux éléments finis - Applications à des problèmes physiques - Introduction aux méthodes de suivi d interface (VOF - level set) Mathématiques hc htd : - Transformation de Fourier (application à la TFD, application à la physique) - Fonctions orthogonales (polynômes d'hermite, polynômes de Laguerre, fonctions de Bessel ) - Distributions Anglais 18hC U.E..?1 : RELATIVITE ET PHYSIQUE SUB-ATOMIQUE Semestre où elle peut être suivie ème Pré-requis Mécanique classique / ondes électromagnétiques Savoirs indispensables pour les concours

10 Nature des activités pédagogiques Travail personnel estimé (hors d'enseignants de physique : Maîtrise de la relativité restreinte, de la radioactivité et des réactions nucléaires / Ouverture sur la relativité générale et la physique des particules. Cours Magistral : 4h T.D. : 4h T.P. : 4h 7 h Programme résumé Relativité (h cours-h TD) - Postulats de la relativité restreinte - Cinématique relativiste : Transformation de Lorentz. Contraction des longueurs. Dilatation des durées. Quadrivecteurs : espace-temps, onde (effet Doppler). - Equivalence masse-énergie : Quadrivecteur impulsion énergie. Lois de conservations lors de chocs relativistes. - Dynamique relativiste : Principe fondamental. Formules de transformation du champ électromagnétique. - Ouverture sur la relativité générale et la cosmologie Physique sub-atomique (h cours-h TD) - Propriétés des noyaux, défaut de masse, énergie de liaison - Modèles nucléaires (semi-empirique, modèle en couches) - Section efficace d'interaction - Radioactivité : lois générales, radioactivité, gamma, alpha, béta, le neutrino, non-conservation de la parité, éléments de radioprotection - Les réactions nucléaires : fission nucléaire, fusion nucléaire, application aux réacteurs nucléaires et aux étoiles - Introduction au modèle standard, de la physique des particules Travaux Pratiques physique atomique et nucléaire (4h) U.E..? : PHYSIQUE DU SOLIDE II, MATERIAUX ET NANOSCIENCES Semestre où elle peut être suivie ème Nature des activités pédagogiques Cours Magistral : 4 heures T.D. : 4 heures T.P. : 4 heures Travail personnel estimé (hors 7 h Physique du Solide (h cours-h TD) - Gaz des électrons libres de Fermi - Electrons dans un réseau périodique. Bandes d énergie. Surface de Fermi. - Semi-conducteurs. Propriétés électroniques. Applications.

11 Diffusion dans les solides et réactions (h cours-h TD) - La solution solide régulière, le potentiel chimique et la démixtion - Mécanismes de diffusion à l échelle atomique - Les lois de Fick et applications (homogénéisation, croissance, cémentation ) - Diffusion dans un champ de force (chimique, contrainte, champ électrique, thermique ) - Applications ( séparation de phases, fluage, oxydation, ségrégation sur les défauts ) Travaux Pratiques physique de la matière condensée U.E..?3 : MECANIQUE DES FLUIDES Semestre où elle peut être suivie ème Mettre en œuvre les principes théoriques par la résolution de problèmes typiques de la mécanique des fluides incompressibles et compressibles Nature des activités pédagogiques Cours Magistral : 7 heures T.D. : 30 heures T.P. : 15 heures Travail personnel estimé (hors 7 h Analyse dimensionnelle : Théorème de Vaschy-Buckingham, nombres sans dimension Incompressible : - transferts et couches limites (quantité de mouvement, énergie, espèces) ; - diphasique : interface liquide gaz, tension de surface (goutte), formule de Stockes - introduction à la turbulence (longueur de Prandtl ) ; Compressible : - ondes sonores ; - ondes de choc droit, ondes de détente, tuyères et polaires de choc dans tuyère 5 TP de 3 heures U.E..?4 : OPTIQUE LASER Semestre où elle peut être suivie ème Connaissance des optiques et lasers Nature des activités pédagogiques Cours Magistral : 4 heures T.D. : 4 heures T.P. : 4 heures Travail personnel estimé (hors 7 h

12 Théorie du Laser - Amplification - Cavité - Dynamique Optique non-linéaire du troisième ordre - Triplage de fréquence - Indice Non-Linéaire (Auto-modulation de phase, auto-focalisation, miroir à conjugaison de phase) - Diffusion Raman stimulée - Diffusion Brillouin - Saturation dans les systèmes à deux niveaux Optique intégrée - Guide plan - Fibre optique Optique de Fourier - Diffraction de Fresnel, Fraunhofer - Transformation de Fourier optique - Filtrage optique en lumière cohérente 6 TP de 4 heures U.E..?5 : TRANSFERTS THERMIQUES Semestre où elle peut être suivie ème Mettre en œuvre les principes théoriques par la résolution de problèmes typiques de la mécanique des fluides incompressibles et compressibles Nature des activités pédagogiques Cours Magistral : 7 heures T.D. : 30 heures T.P. : 15 heures Travail personnel estimé (hors 7 h Rayonnement : - éq. du transfert radiatif, - coefficient d Einstein, - facteurs de forme, - pyrométrie (techniques de mesure) Chocs thermiques et ablation Couplage entre conduction et rayonnement : milieu semi-transparent Bilan - entropique, - enthalpique, - lois d Onsager Instabilités de convection : - Rayleigh-Bénard, Marangoni Notion d interface

13 5 TP de 3 h U.E..?6 : STAGE, HISTOIRE ET METHODE DES SCIENCES Semestre où elle peut être suivie ème -Stage : travailler au rythme d une équipe dans un laboratoire de recherche -Histoire des Sciences : Avoir une vision dynamique des sciences au cours du temps pour maîtriser les sciences actuelles -Matière au choix : s ouvrir à une spécialisation de type scientifique ou vie professionnelle Nature des activités pédagogiques Cours Magistral : T.D. : cf. ci-dessous T.P. : Travail personnel estimé (hors 7 h Stage : 4 h / semaine pendant 10 semaines de découverte de la recherche dans un laboratoire intervenant dans le M1 EPO Histoire des Sciences (8 h C) : Ce cours se propose de faire réfléchir des étudiants, avancés dans leurs études scientifiques, sur les relations entre la science et la société. L accent sera mis sur l histoire de l évolution des idées en physique (essentiellement du fait des compétences de l enseignant physicien). Il s agira de faire apparaître combien l évolution de la science s inscrit dans l histoire de l humanité. Il sera montré comment les idées développées par les hommes de science (concept à définir selon les époques) sont à la fois le reflet de l état de la société de leur époque mais aussi les germes préparant l émergence de représentations nouvelles qui sont parfois sources de modification de la société elle même. La trame d un tel cours est forcément ouverte au questionnement étudiant et, plus qu un programme, c est cette ouverture qu il faut caractériser. Cela peut être cadré par la mise en discussion de thèmes permettant de créer des transcendances, par exemple (non exhaustives) : -La représentation de l Univers depuis l Antiquité (physique et métaphysique). -La physique aristotélicienne, la science arabo-musulmane, l Eglise et Aristote. -La «révolution» galiléenne, le recours à l expérience, les précurseurs, les résistances. -Le «siècle des lumières», les scientifiques et la Révolution Française, la «science triomphante» du XIX ème siècle, scientisme, positivisme, -La physique du XX ème siècle, avancées fulgurantes et drames. -Ce que dit la physique aujourd hui du monde matériel et de son évolution, le «big bang», les théories qui sous tendent ce modèle, l approche du «réel» : qu est ce que la matière, la lumière? L approche de ces thèmes peut être croisée. Par exemple : -Le mouvement chez Aristote, la critique par Galilée, le triomphe newtonien, la relativité einsteinienne,. Bien entendu cette science est faite par des femmes et des hommes de chair et de sang et il est bon de connaître leur histoire. Celle-ci sera abordée en même temps que le personnage rentrera en scène dans la discussion. A ce propos, un thème transversal pourrait être : -La science et le(s) Pouvoir(s), les scientifiques et le(s) Pouvoir(s).

14 Enfin, un tel cours est également l occasion de faire de la physique, d en faire comprendre les principaux schémas de fonctionnement, l unité (souvent perdue de vue dans le tronçonnage de spécialités académiques).