Description du programme de physique et estimation horaire

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1 Description du programme de physique et estimation horaire Description du programme de physique première année et estimation horaire En italiques : les points incertains. 1. Description des états de la matière Paramètres d état Paramètres extensifs et paramètres intensifs. 1,5 Pression cinétique P (et première approche de la force pressante F p = PS) et présentation d unités usuelles. Température cinétique T, et notion qualitative d énergie cinétique moléculaire moyenne ; échelle absolue de T. Diagramme d état du Description du diagramme (T,P) ; points remarquables. 0,5 corps pur Phases condensées Caractère peu compressible et peu dilatable des phases 0,5 condensées. Description qualitative des solides cristallins et amorphe on signale qu il existe des lacunes dans les cristaux. Gaz Equation d état du gaz parfait ; représentation en coordonnées de Clapeyron ; notion d isotherme. Interprétation à l échelle moléculaire du gaz parfait. Gaz réels : introduction d un terme répulsif et d un terme attractif. Changements d états du corps pur Courbes de changement d état. 3 Température de changement d état ; notion qualitative de chaleur latente de changement d état. Changement d état liquide-vapeur : pression de vapeur saturante ; représentation en coordonnées de Clapeyron ; théorème des moments. TOTAL 7,5. Statique des fluides Equation locale Notion de particule de fluide. 1 Etablissement de l équation locale du fluide au repos dans le champ de pesanteur (premier raisonnement infinitésimal). Surfaces isobares. Cas des liquides incompressibles Equation de l hydrostatique. Continuité de la pression aux interfaces. Cas de l atmosphère isotherme Applications : manomètre, baromètre. Etablissement de l équation.

2 Pression d un gaz à l échelle du laboratoire. Statistique de Boltzmann? TOTAL 5 3. Le signal Signal scalaire à un Présentation et exemples de signaux dépendant d un 3 seul paramètre paramètre spatiale ou d un paramètre temporel. Signal sinusoïdal ; longueur d onde, fréquence. Puissance instantanée et puissance moyenne transportée par le signal (premier cas d intégration un peu compliquée). Présentation des régimes transitoires et des régimes forcés. Composition de deux signaux de même fréquence ou de fréquences différentes. Decomposition d un signal périodique en une somme de signaux sinusoïdaux (présentation qualitative). Signal scalaire à deux Présentation de signaux dépendant du temps et d un 1 paramètres paramètre d espace Présentation des interférences dans différents domaines. TOTAL 4 4. Bilans en régime stationnaire Notion de bilan Notion de volume de contrôle et de surface de contrôle. 1 Termes d échange et termes de création. Débit. Exemples : bilan de charge électrique, de masse ou de quantité de matière, d énergie. Courant Notion de courant électrique, courant thermique. 0,5 Loi de nœuds. Conduction et Notion de différence de potentiel (électrique, thermique,,5 résistance chimique) Lois phénoménologiques : Fick, Fourier, Ohm. Notion de résistance (électrique, thermique). TOTAL 4 5. Electrocinétique en régime continu Lois de Kirchhoff Loi des nœuds, loi des mailles. 1 Diviseurs de tension et de courant. Dipôles passifs Dipôle passif linéaire : résistance électrique. Association de résistances. Effet Joule. Signaler l existence de dipôles passifs non linéaires. Dipôles actifs Générateurs linéaires. 1,5 Equivalence entre représentations de Thévenin et de Norton.

3 Aspect énergétique. TOTAL 4,5 6. Principes de la thermodynamique Notion d équilibre Equilibre mécanique. 1,5 thermodynamique Equilibre thermique ; thermostat. Echanges d énergie Echanges ordonnés : travail. Le travail des forces 1 pressantes est reporté en è année. En gros, on se limite à δw = P dt, P étant une puissance donnée (moteur, ). Exemples de travaux? Echanges désordonnés : chaleur. Energie interne Définition. Cas d un GP : U(T) = CT Cas d un gaz réel : U (T, V) Cas d une phase condensée : U (T, V) et approximation usuelle U (T) Premier principe d( U + Ec + E p ) Enoncé général : =... Second principe dt Enthalpie Réversibilité et non réversibilité (introduit par le sens des échanges thermiques ou chimique). Enoncé général : d S Q& = dt T TOTAL 8,5 ext + P S. 7 Régimes transitoires sans amortissement et régime forcé? Dipôles passifs (suite) Retour d un système à l équilibre Réponse indicielle d un système Capacité idéale, capacité réelle ; continuité de la tension 1 et de la charge ; énergie stockée. Bobine idéale, bobine réelle ; continuité du courant ; énergie stockée. Exemples électrique et thermique (premier exemple d équation différentielle) ; constante de temps. Echelon 1 Exemples électrique et thermique. Régime forcé? Définition du régime forcé. 1 Exemple électrique et mécanique, sans formalisme complexe et sans calcul. Présentation qualitative du déphasage TOTAL 7 8 Mécanique du point Interactions (rappels de TS) Force, lois des actions réciproques. 3 Interactions à distance : champ de gravitation, champ

4 Equilibre du solide électrique, champ de pesanteur terrestre. Interactions de contact : ressorts, frottements fluides, frottements solides. F r = 0 1,5 Moment de force ; bras de levier ; M r F = 0 Cinématique Position, vitesse, accélération en coordonnées 4 cartésiennes (rappels de TS) Position, vitesse, accélération en coordonnées cylindriques et polaires Position en coordonnées sphériques Composition des vitesse? Principe fondamental Enoncé (rappel de TS) et applications en ou 3 de la dynamique dimensions. Energie des systèmes Energie cinétique ; théorème de l énergie cinétique. 3 Forces conservatives. Energie potentielle ; exemples de la pesanteur, de la gravitation et du ressort. Energie mécanique : conservation et non conservation. Equilibre mécanique Interprétation de l équilibre en terme d énergie potentielle Stabilité de l équilibre. Notion de point matériel libre et lié TOTAL 17 1,5 9 Optique géométrique Propagation de la lumière Miroir plan et dioptre plan Indice optique ; chemin optique ; principe de Fermat 1 (très qualitatif). Lois de Snell-Descarts pour la réflexion et la réfraction. Notion d objet et d image réels ou virtuels ; construction. 1,5 Stigmatisme rigoureux et approché dans les conditions d Gauss. Aplanétisme. Lentilles minces Axe optique, centre optique, foyers, plans focaux.,5 Construction graphique de rayons et de faisceaux. Formules de conjugaison de Descartes et de Newton ; grandissement transversal. Instruments Présentation succinte de l œil ; punctum proximum et 4 d optique punctum remotum Instrument afocal : lunette astronomique. Microscope. TOTAL Oscillateurs harmoniques et amortis Oscillateur harmonique Mise en équation ; exemples électrocinétique et mécanique. Solution sinusoïdale ; mise en évidence de la quadrature.

5 Aspect énergétique. Oscillateur amortis Mise en équation. 3 Présentation sans calcul des trois régimes. Aspect énergétique. TOTAL 5 TOTAL GENERAL 7,5 TOTAL DISPONIBLE sur la base de 36 semaines 7

6 Description du programme de physique deuxième année et estimation horaire 1. Régimes forcés. Passage d un régime transitoire au régime sinusoïdal forcé Grandeurs sinusoïdales et grandeurs complexes Puissance reçue par un dipôle Réseaux Filtres Exemples mécanique et électrique. Modèle du circuit RLC série. Sismographe. Résonance. Comprendre le phénomène de résonance Savoir mesurer une pulsation de résonance. Définition des valeurs efficaces. Notation complexe et représentation géométrique. Impédance complexe. Puissance instantanée, puissance moyenne. Facteur de puissance. Cas d un dipôle passif linéaire. Notions élémentaires sur les réseaux en courant alternatif (modèles de Thévenin et Norton). Association de dipôles linéaires actifs et passifs. Manipulation des lois des nœuds et des mailles. Notion de fonctions de transfert. Application à des filtres simples utilisant uniquement des dipôles R et C : filtre passe-bas, filtre passe-haut, filtre passe-bande. Savoir mesurer le déphasage entre deux tensions sinusoïdales. Savoir choisir et disposer les éléments (résistances, condensateurs) pour réaliser un filtre simple dont les caractéristiques sont connues. Savoir retrouver expérimentalement les caractéristiques d un filtre passe-haut, passe-bas et passe bande. Total cours 1 Total Td 3. Bilans sur des systèmes fermés. Évolution d un système Travail des forces de pression (ou transfert mécanique). fermé divariant. Puissance mécanique. Transformations isobares, monobares et isochores. Transfert thermique. Puissance thermique. Transformations adiabatiques. Sources de chaleur, transformations isothermes et Identités thermodynamiques pour un système divariant. Potentiel thermodynamique. Potentiel chimique monothermes. Relations entre fonctions d état U, H, S et G. Identités thermodynamiques dans le cas d un système divariant. Définitions thermodynamiques de la température et de la pression. Entropie du gaz parfait. Lois de Laplace. Relation de Gibbs-Helmholtz. Évolution d un système fermé à pression et température fixée. Critère d évolution, critère d équilibre. Définition et propriétés du potentiel chimique d un système homogène fermé de composition non fixée (siège d une ou de plusieurs réactions). Changement d état du Critère d évolution, critère d équilibre. 1 corps pur. Enthalpie, entropie de changement d état. Total cours 8 3 3,5,5 1 1

7 Total Td 3 3. Théorie élémentaire des phénomènes de transports. Ce chapitre fait suite aux acquis de la première année où les analogies électrocinétiques ont permis de d associer une relation de proportionnalité entre le flux d une grandeur extensive et la différence du paramètre intensif moteur du transport. En seconde année, des bilans locaux seront à l origine de modélisation où des termes de productions et/ou de pertes pourront intervenir. Ils seront limités aux transports axiaux de section constante. Dans le cas de transports en symétrie sphérique et cylindrique, seul un bilan global pourra être considéré. Flux d une grandeur extensive. Vecteur densité. Vecteur densité. Choix d une surface et symétries. Vecteur gradient. Conduction électrique Loi d OHM locale. Notion de conductivité électrique. 1,5 Résistance d un conducteur cylindrique. Diffusion 1ère loi de FICK. Conduction thermique Loi de FOURIER. 3 Connaître et savoir utiliser les analogies entre les différents phénomènes de transport. Savoir estimer la durée d un phénomène transitoire caractéristique d un phénomène diffusif. Total cours 7,5 Total Td 4. De la mécanique du point à la mécanique des systèmes. Bilan de forces sur un Action à distance et action de contact. système. Forces de pression. Action des forces de pression sur une surface plane. Moment d une force par rapport à un axe fixe. Poussée d Archimède. Orientation. Droite d action et bras de levier. Équilibre d un solide Conditions nécessaires de l équilibre. 1 Voisinage de l équilibre Approximation harmonique. Système dissipatif. Oscillateur 4 amorti. Rotation d un solide Moment d inertie par rapport à un axe. Moment cinétique. 4 autour d un axe fixe Théorème du moment cinétique. Déformation d un solide Compression ou traction simple. Module de Young. Total cours 18 Total Td 3 5. Bilans sur des systèmes ouverts. Cinématique des fluides Hypothèse de continuité en mécanique des fluides ; définition d une particule de fluide. Description d un fluide en mouvement et du champ des vitesses. Définition d un écoulement permanent, transitoire, unidirectionnel, unidimensionnel. Lignes et tubes de courant. Système ouvert Connaître la différence entre un système ouvert et un système 0,5 fermé. Savoir modéliser et paramétrer un système ouvert. Comprendre d intérêt de la fermeture du système et la réalisation d un bilan sur le fluide au cours de son déplacement. Bilan de masse Bilan de masse, flux de masse (et flux de volume). 0,5 Premier principe pour un système ouvert Mise en place du premier principe industriel écrit en termes de puissances et de grandeurs massiques

8 Bilan de quantité de mouvement Bilan d énergie mécanique Bilan enthalpique dans un échangeur thermique avec et sans changement d état. Détente de Joule Thomson. Description d une machine thermique. Théorème d Euler et applications. Mise en place d un bilan d énergie mécanique avec échange mécanique (pompe) et frottement en régime permanent. Pouvoir justifier les hypothèses nécessaires permettant de simplifier la formule à manipuler. Relation de Bernoulli. Charge en un point. Tube de Venturi. Tube de Pitot. Circulation d un liquide dans une canalisation sous l effet de la gravité et/ou d une pompe. Lien entre bilan d énergie mécanique et premier principe de la thermodynamique (écoulement adiabatique et/ou isotherme). Utiliser un logiciel de calcul en mécanique des fluides (éléments finis). Total cours 15 Total Td 3 6. Dynamique des fluides newtoniens. Viscosité Présentation expérimentale de la viscosité des fluides. Contraintes visqueuses en cisaillement simple plan. Viscosité dynamique et cinématique. Loi de poiseuille Écoulement permanent établi dans un tube cylindrique de 3 section circulaire. Conséquences : loi de POISEUILLE, perte de charge, mesure des viscosités. Nombre de Reynolds Description qualitative des différents régimes d écoulements 1 suivant les valeurs du nombre de REYNOLDS. Écoulements rampants Écoulement d un fluide à travers un milieu poreux homogène et isotrope ; loi de DARCY ; perméabilité. Force de résistance exercée sur une particule sphérique rigide en mouvement de translation uniforme dans un fluide : loi de STOKES. Applications à la sédimentation et aux mesures de viscosité. Total cours 8 Total Td 7. Ondes et rayonnements. Optique géométrique Les outils de l optique géométrique 1 Rayonnement Rayonnement ionisant et non ionisant. 3 ionisants Sources et radioactivité. Énergie disponible, défaut de masse. Décroissance radioactive. Interaction matière et rayonnement : atténuation, diffusion. Ondes sonores et Propagation des ondes sonores. Échographie, effet doppler. ultrasonores. Sources lumineuses Diffraction et interférences Sources à rayonnement discontinu, sources à rayonnement continu. Rayonnement du corps noir, densité spectrale d émission. Sources à lumière cohérente : le laser. Présentation expérimentale 1 5

9 Diffraction à l infini par un réseau plan Formule du réseau plan. Minimum de déviation pour le réseau plan par transmission. Diffraction des rayons X par les cristaux. Formule de Bragg. Mise en place d un cours sur le réseau plan. Total Cours 11 Total Td 8. Capacités transversales. De telles capacités dépassent largement la simple thématique des concepts enseignés. Elles doivent se trouver au cœur de nos présentations et/ou questionnements et susciter pour l étudiant une référence méthodologique. Homogénéité Ordres de grandeur, puissances de 10, nombre de décimales Utilisation logiciel de calcul : Résolution numérique d équations Intégration numérique d équations différentielles Mesures physiques Traitement des résultats Savoir vérifier l homogénéité d une expression littérale à partir d une analyse dimensionnelle des termes présents. Pouvoir définir un ordre de grandeur (durée, longueur) par analyse dimensionnelle d une équation modélisant un phénomène. Comprendre l intérêt de la notation scientifique adaptée à la précision des données et/ou des mesures. Comprendre l intérêt et les limites d une résolution numérique d une équation. Comprendre la notion d erreur de mesure. Savoir calculer une incertitude par une méthode statistique (cas d une série de mesures, type A) Savoir calculer une incertitude sur une seule mesure (type B). Savoir mettre en œuvre une régression linéaire Savoir réaliser une présentation des résultats (graphique). Savoir interpréter des résultats. Savoir rédiger le compte-rendu d une activité expérimentale. Total cours (projet) 59,50 Total cours (004) 58,50

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