PHY335 PHYSIQUE DES ONDES Préalable(s) : ING150, CTN258 PLAN DE COURS SESSION HIVER 2014

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1 École de technologie supérieure Service des enseignements généraux Responsable(s) du cours : André St Amand Crédits : 4 PHY335 PHYSIQUE DES ONDES Préalable(s) : ING150, CTN258 PLAN DE COURS SESSION HIVER Coordonnées de l enseignant Groupe 03 Daxhelet, Xavier (xavier.daxhelet@etsmtl.ca) bureau B-2316 Groupe 02, 05 Lavocat-Dubuis, Xavier (xavier.lavocat-dubuis@etsmtl.ca) bureau B-2518 Groupe 04 Bordeleau, André (andre.bordeleau@etsmtl.ca) bureau B-2528 Groupe 01, 06, 07 St-Amand André (andré.st-amand@etsmtl.ca) bureau B-2550 Groupe 08 Paquin, Gérald (gerald.paquin@etsmtl.ca) bureau B Descriptif officiel du cours Acquérir les concepts de base et les techniques mathématiques associés à l étude de certains phénomènes de la propagation des ondes, en particulier ceux de l acoustique et de l optique. Ondes et phénomènes oscillatoires. Mouvement harmonique simple. Oscillations. Mouvement ondulatoire. Acoustique : Nature et propagation du son, transmission du son (absorption, réflexion, réfraction). Optique : Nature et propagation de la lumière, transmission de la lumière, principe d Huygens et de Fermat, réflexion et réfraction d ondes planes-sphériques sur des surfaces planes-sphériques, absorption. Lentilles minces et épaisses. Interférences, diffraction, et polarisation. Applications : instruments d optiques, fibres optiques, holographie, laser, filtres interférentiels, cristaux liquides. Séances de laboratoire et exercices reliés à des applications en ingénierie. Précision sur les préalables : le cours PHY335 ne requiert qu un seul préalable (CTN258 OU ING150), soit plus précisément : - ING150 Statique et dynamique, sauf pour les étudiants au baccalauréat en génie mécanique - OU CTN258 Statique et dynamique pour les étudiants au baccalauréat en génie de la construction Session hiver 2014 PHY335 PHYSIQUE DES ONDES 1

2 3. Objectifs spécifiques du cours Fournir à l étudiant certaines connaissances fondamentales de physique, jugées nécessaires à une formation technologique avancée. Familiariser l étudiant avec les concepts de base et les techniques mathématiques associées à l étude de certains phénomènes de la propagation des ondes, en particulier ceux de l acoustique et de l optique. Rendre l étudiant capable d analyser certains phénomènes des domaines de la physique mentionnés ci-dessus. Présenter à l étudiant, à chaque fois que cela est possible, un aperçu des possibilités d applications technologiques des phénomènes et propriétés étudiés. 4. Stratégies pédagogiques utilisées Trois heures et demie de cours magistral par semaine. De nombreux exemples seront faits en classe pour permettre aux étudiants de bien assimiler la théorie et les techniques présentées au cours. Trois heures sont consacrées à l analyse de problèmes et d applications pertinentes. L étudiant est alors en mesure d évaluer objectivement son degré d acquisition des connaissances et d y apporter les correctifs appropriés. L étudiant est, par ailleurs, amené à compléter son apprentissage par des séances de laboratoire qui se font à l extérieur des heures de contact avec l enseignant. Au nombre de trois, ces laboratoires permettent à l étudiant et à ses collègues (le travail se fait en équipe) d affiner sa compréhension des concepts suivants : le mouvement harmonique simple; le comportement d un système optique; la polarisation de la lumière et le comportement de celle-ci en réflexion et en transmission. Volet calcul symbolique Devenue obligatoire à l ÉTS, la calculatrice symbolique TI-Nspire CAS s avère un outil particulièrement utile pour analyser et visualiser diverses situations en physique (certains enseignants utilisent aussi le logiciel Maple ainsi que des applications Java). Dans le cadre du présent cours, cet outil est employé aux fins de : 1) définir les fonctions centrales à la théorie vue en classe. À titre d exemple : fonction d onde, formule Doppler, coefficients de Fresnel; 2) tracer des graphiques. À titre d exemple : mouvement harmonique simple, fonction d onde à un instant fixe, coefficients de Fresnel, etc.; 3) animer une fonction d onde du type y = f(x,t) par variation de la variable t; 4) déterminer les paramètres d une fonction d onde découlant de ses dérivées. À titre d exemple : l amplitude A, la phase initiale, la vitesse, l accélération d une corde vibrante ainsi que sa déflexion angulaire; Session hiver 2014 PHY335 PHYSIQUE DES ONDES 2

3 5) modéliser une situation physique sous la forme d un système d équations. Résoudre le système d équations et détecter les solutions inadmissibles. 6) effectuer des calculs impliquant des vecteurs. À titre d exemple : position r, vitesse v, formule Doppler contenant le produit scalaire, amplitude E et B d une onde électromagnétique et vecteur propagation k. Pour obtenir de l information supplémentaire sur l utilisation de la calculatrice TI- Nspire CAS, on peut visiter le site : http ://seg.etsmtl.ca/nspire/cours/nspirephysique.pdf La syntaxe de diverses commandes utiles en physique est présentée dans le document. Deux études de cas y sont aussi présentées, dont une illustrant la modélisation et la solution d un problème en optique géométrique. 5. Contenu du cours La matière couverte est la même pour tous les enseignants. L ordre dans lequel elle est présentée peut être cependant différent, en raison des laboratoires choisis par les enseignants. COURS MATIÈRE HEURE Bloc A (4 cours) Bloc B (1.5 cours) Bloc C (2.5 cours) Bloc D (2 cours) Bloc E (3 cours) Ondes et vibration Équation du MHS, Superposition de MHS, Ondes planes et sphériques, Équation d onde et fonction d onde, vitesse de propagation, puissance, ondes progressives, impédance, réflexion et transmission, ondes stationnaires, modes normaux. Volet calcul symbolique : objectifs 1) à 4). Acoustique Ondes sonores : nature et propagation, intensité, battement, effet Doppler. Volet calcul symbolique : objectifs 1), 2) et 6). Optique géométrique Interfaces planes, indice de réfraction, lois de réflexion et de transmission. Interfaces courbes : dioptres sphériques, miroirs sphériques, lentilles minces et épaisses. Systèmes optiques. Volet calcul symbolique : objectifs 1) et 5). Nature et propagation de la lumière Ondes électromagnétiques, Équations de Maxwell, pression de radiation, effet Doppler. Volet calcul symbolique : objectifs 5) et 6). Interférence et polarisation Polarisation : Lumière polarisée et non polarisée, degré Session hiver 2014 PHY335 PHYSIQUE DES ONDES 3

4 COURS MATIÈRE HEURE Exemples de déroulements : de polarisation, coefficients de Fresnel en amplitude et en intensité. Interférence : principes généraux, fentes de Young, films minces, interféromètre de Michelson. Volet calcul symbolique : objectifs 1), 2), 5) et 6). BLOC A BLOC B BLOC C BLOC D BLOC E BLOC C BLOC A BLOC B BLOC D BLOC E BLOC A BLOC C BLOC D BLOC E BLOC B Total Laboratoires ou travaux pratiques Trois heures de travail pratique par semaine (total 36 heures). 7. Évaluation Gr. 02 Gr. 03 Gr. 04 Gr. 05 Gr. 06 Examen I : 25 % 4 fév. 5 fév. 6 fév. 31 janv. 31 janv. Examen II : 25 % Laboratoires et travaux : 25 % Examen final : 25 % Pondération spécifiée en classe Semaines des examens finaux Gr. 01 Gr. 06 Gr. 07 Examen I : 25 % 3 fév. 31 janv. 29 janv. Examen II : 30 % Laboratoires et travaux : 20 % Examen final : 25 % Pondération spécifiée en classe Semaines des examens finaux Session hiver 2014 PHY335 PHYSIQUE DES ONDES 4

5 Documentation permise aux examens (3h) : Résumé personnel : 1 feuille 8 ½ X 11 (recto verso). Session hiver 2014 PHY335 PHYSIQUE DES ONDES 5

6 8. Documentation obligatoire (en vente à la COOP) Pour les groupes 01, 02, 03, 05, 06, 07 et 08 : ST-AMAND. Physique des ondes, 2 e édition, Université du Québec, École de technologie supérieure, Pour le groupe 04 : D. LÉVESQUE, P. PARADIS et A. BORDELEAU. Notes de cours PHY-335, Physique des ondes. Tome 1 : Notes de cours révisées en août Tome 2 : Notes de cours révisées en mai Ouvrages de référence H.BENSON, Physique III : Ondes, optique et physique moderne, 4 e édition, Éditions du Renouveau pédagogique, E. M. PURCELL; F. S. CRAWFORD, Cours de physique, Vol 3, Paris, Dunod, 1998 E. HECHT, Optique, 4 e édition, Pearson Education, France, 2005 E. HECHT, Optics, 4 e édition, Addison Wesley, 2002 R. CHAMPEAU, R. CARPENTIER, Ondes lumineuses, De Boeck, Bruxelles, 2009 D. ROYER, E. DIEULESAINT, Onde élastiques dans les solides, Tome 1, Paris, 1996 A. CHAIGNE, Ondes acoustiques, École polytechnique, France, 2003 G. BOISCLAIR et J. PAGÉ, Guide des sciences expérimentales, 3 e édition, Éditions du Renouveau pédagogique, 2004 J.P. PROVOST, G. VALLÉE, Les maths en physique, 3 e édition, Dunod, Paris, 2011 Session hiver 2014 PHY335 PHYSIQUE DES ONDES 6

7 PHY335 PHYSIQUE DES ONDES ANNEXE I 1. Caractéristiques du cours Responsable(s) du cours : André St Amand Coordonnées de l enseignant : Groupe 03 Daxhelet, Xavier (xavier.daxhelet@etsmtl.ca) bureau B-2316 Groupe 02, 05 Lavocat-Dubuis, Xavier (xavier.lavocat-dubuis@etsmtl.ca) bureau B-2518 Groupe 04 Bordeleau, André (andre.bordeleau@etsmtl.ca) bureau B-2528 Groupe 01, 06, 07 St-Amand André (andré.st-amand@etsmtl.ca) bureau B-2550 Groupe 08 Paquin, Gérald (gerald.paquin@etsmtl.ca) bureau B-2316 Préalables : ING150, CTN258 Crédits : 4 2. Descriptif officiel du cours Acquérir les concepts de base et les techniques mathématiques associés à l'étude de certains phénomènes de la propagation des ondes, en particulier ceux de l'acoustique et de l'optique. Ondes et phénomènes oscillatoires. Mouvement harmonique simple. Oscillations. Mouvement ondulatoire. Acoustique : Nature et propagation du son, transmission du son (absorption, réflexion, réfraction). Optique : Nature et propagation de la lumière, transmission de la lumière, principe d'huygens et de Fermat, réflexion et réfraction d'ondes planes-sphériques sur des surfaces planes-sphériques, absorption. Lentilles minces et épaisses. Interférences, diffraction, et polarisation. Applications : instruments d'optiques, fibres optiques, holographie, laser, filtres interférentiels, cristaux liquides. Séances de laboratoire et exercices reliés à des applications en ingénierie. Précision sur les préalables : le cours PHY335 ne requiert qu'un seul préalable (CTN258 OU ING150), soit plus précisément : - ING150 Statique et dynamique, sauf pour les étudiants au baccalauréat en génie mécanique - OU CTN258 Statique et dynamique pour les étudiants au baccalauréat en génie de la construction Session hiver 2014 PHY335 PHYSIQUE DES ONDES 7

8 3. Répartition des unités d agrément du BCAPG Maths Sciences naturelles Études complémentaires Science du génie Conception en ingénierie Total 0,0 64,8 0,0 0,0 0,0 64,8 4. Qualités (Qx) et compétences (Cy) enseignées et ou évaluées Q1 : Connaissance, à un niveau universitaire, des mathématiques, des Enseigné Evalué sciences naturelles et des notions fondamentales de l ingénierie, ainsi qu une spécialisation en génie propre au programme. Q1 -C2 Appliquer les concepts fondamentaux des sciences naturelles v v 5. Évaluation Absence à un examen Dans les cinq (5) jours ouvrables suivant la tenue de son examen, l étudiant devra justifier son absence d un examen durant le trimestre auprès de son enseignant. Pour un examen final, l étudiant devra justifier son absence auprès du Bureau du registraire. Toute absence non justifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d un parent immédiat ou autre) à un examen entraînera l attribution de la note zéro (0). Plagiat et fraude Les clauses du «Chapitre 10 : Plagiat et fraude» du «Règlement des études de 1 er cycle» s appliquent dans ce cours ainsi que dans tous les cours du département. Afin de se sensibiliser au respect de la propriété intellectuelle, tous les étudiants doivent consulter la page Citer, pas plagier! Session hiver 2014 PHY335 PHYSIQUE DES ONDES 8