L2-L3 LICENCE PHYSIQUE - CHIMIE

Le module de chimie organique 1 concerne l'étude des grandes classes de composés organiques (organométalliques, alcools, amines, dérivés carbonylés) et leur réactivité. Les acides carboxyliques et dérivés sont également abordés au cours des chapitres dédiés à la réactivité des organométalliques, alcools et dérivés carbonylés.

Un effort particulier est donné à la compréhension des mécanismes réactionnels à partir des notions de bases acquises en première année.

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Ce cours est en partie destiné à généraliser les connaissances abordées lors du premier semestre de la première année (Physique Générale). Dans cette optique on traitera du repérage dans un espace à trois dimensions, de la cinématique associée et de la mécanique en référentiel non galiléen. Ce cours est également destiné à élargir le champ des applications abordées en L1S1. Dans cet ordre d’idée, on abordera la statique des fluides, la dynamique et l’énergétique de l’oscillateur harmonique, et le mouvement des corps célestes (lois de Kepler).

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Ce cours est la première étape de l’enseignement de l’électromagnétisme à l’université. L’électrostatique, les courants stationnaires et la magnétostatique y sont traités.

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Les deux principaux objectifs de la Physique sont d’une part de mieux comprendre -ou de mieux connaître- le monde dans lequel nous sommes, et d’autre part de contribuer à l’essor des techniques et des technologies. Sa vocation est d’élaborer des théories et de les confronter à l’expérience.

Dans ce module vous réaliserez des expériences qui illustreront des notions de mécanique, d’électricité et de thermodynamique qui ont été présentées dans les modules de 1^ère année de licence.

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Utilisation des principes de base en thermodynamique des équilibres pour être capable de prévoir si une réaction est possible, dans quel sens elle est spontanée et déterminer à partir de la constante d'équilibre les proportions des réactants à l'équilibre. Application aux équilibres homogènes, hétérogènes et aux cas particuliers des réactions de précipitation. (acido-basiques et d'oxydo-réduction si le temps le permet). Volume horaire : 19,5 h.

Dans une deuxième partie, il sera abordé les aspects cinétique et donc vitesse de réaction. Seuls les ordres simples de réaction seront étudiés au cours de cette année. Volume horaire : 7,5 h .

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Cette UE se situe dans la continuité des enseignements mathématiques du L1. Les outils mathématiques nécessaires au physicien en analyse seront étudiés, en particulier les fonctions de plusieurs variables, les opérateurs différentiels, les intégrales généralisées et multiples et les suites et séries, y compris séries entières et de Fourier.

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Il s’agit de revoir dans un premier temps différentes notions de la physique des ondes (équation de D'alembert, ondes progressives, ondes stationnaires, réflexion, transmission) à travers l'étude de différents systèmes physique mécanique (ressort, corde, acoustique...), électrique (ligne télégraphique, co-axial...) ou électromagnétique et d’aboutir à un formalisme général pour l’étude des phénomènes ondulatoires linéaires.

Puis, dans un second temps, après avoir étudié les ondes stationnaires il s’agira d'étudier les interférences (cuve à ondes et autres dispositifs) et les notions physiques qui leur sont liées : déphasage, différence de marche, condition d'interférence constructive, interférences destructives

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Ce module constitue une introduction à l’utilisation de Python pour les étudiants poursuivant une formation en Sciences. On y abordera des notions d’algorithmique et du langage Python, mais l’approche est avant tout orientée vers une utilité en Sciences. Les exemples porteront ainsi sur des problématiques en rapport avec les autres matières de première année.

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La première partie de cet enseignement a pour but de consolider les notions de magnétostatique et  d’établir les relations de passage du champ électromagnétique à l’interface d’un plan de charges ou de courant. Nous introduisons également l’expression des efforts de Laplace (force et moment) agissant sur des circuits volumiques ou filiformes. La seconde partie est consacrée aux propriétés des champs et des potentiels en régime variable. Après avoir introduit la loi de Faraday décrivant les phénomènes d’induction, nous établissons les équations de Maxwell dépendantes du temps. Un traitement énergétique nous permet de définir les énergies électrique, magnétique, ainsi que le vecteur de Poynting. Nous appliquons ces concepts à différents exemples comme par exemple la conversion électromécanique ou le chauffage par induction via les courants de Foucault. Un dernier chapitre et consacré aux équations de propagations des champs et des potentiels, et à leur application dans des systèmes assimilés au vide, ainsi que dans les conducteurs et les isolants parfaits. La notion de profondeur de peau est également introduite.

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La première partie de cet enseignement présente les bases de la chimie quantique pour les chimistes et les physico-chimistes. Il commence par reprendre les principes de la mécanique quantique et sont équation maître qu’est l’équation de Schrödinger. La résolution de l’équation de Schrödinger dans des cas simples et les notions de fonctions d’onde, de quantification sont présentées e tillustrés dans des cas simples. L’atome d’hydrogène est alors étudié.

L’enseignement se penche aussi sur les méthodes d’approximations qui permettent de déterminer les propriétés de systèmes complexes où l’équation de Schrödinger ne peut pas être résolue directement. L’effet du spin sur les propriétés électroniques des atomes et molécules sera aussi abordé.

La seconde partie de cet enseignement s’intéresse à la description quantique des propriétés moléculaires et de la réactivité. La construction qualitative des orbitales moléculaires en utilisant les propriétés de symétrie sera introduite et le lien entre diagramme d’orbitale moléculaire et liaison chimique est fait. Le lien entre géométrie moléculaire et structure électronique sera abordé. Cet enseignement s’intéressera ensuite à la méthode d’Huckel qui permet d’obtenir des diagrammes d’orbitales moléculaires des systèmes π. Les notions classiques de conjugaison, délocalisation, de caractère donneur ou accepteur et d’aromaticité seront ainsi étudié dans cette approche. La théorie des orbitales frontières est utilisée pour rationaliser la réactivité moléculaires (cycloadditions, électrocyclisation) et les géométries moléculaires.

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Thermodynamique : aspects micro et macroscopiques

La thermodynamique est l’outil de choix pour étudier la matière à l’échelle macroscopique. En particulier, dans le cas des réactions chimiques, elle permet de prédire le sens de leur évolution et leur état d’équilibre. Dans les premières années de licence on s’attache à décrire les principes de la thermodynamique et leur application directe à la chimie dans le cas des réactions simples d’équilibre monophasiques ou entre phases homogènes. Cette unité d’enseignement approfondira ces connaissances dans deux directions.

Tout d’abord, il s’agira de généraliser ce cadre de description thermodynamique macroscopique pour les systèmes plus complexes, comme les systèmes interfaciaux où la tension superficielle joue un rôle où comme les phases non uniformes où la composition n’est pas la même partout en raison d’un champ extérieur. On étudiera également  les ruptures et les déplacements d’équilibre.

Ensuite on s’intéressera au lien avec le monde microscopique où la matière est décrite à l’échelle atomique. On montrera que l’évolution prédite par la thermodynamique est de nature statistique, l’état d’équilibre correspondant ainsi à l’état macroscopique le plus probable compte tenu des contraintes appliquées au système. Cela permettra ainsi de déduire de la description microscopique d’un système physico-chimique ses propriétés thermodynamiques macroscopiques.

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La physique statistique est l’une des branches fondamentales de la physique moderne qui, par son approche probabiliste établit des relations entre le microscopique et le macroscopique. Elle traite de l’évolution des systèmes à très grand nombre de particules (atomes, molécules, photons, etc.) et relie les quantités macroscopiques telles que la pression, la température, etc. caractérisant leur état à l’équilibre thermodynamique à des grandeurs définissant l’état microscopique de leurs constituants. Cette UE d’introduction à la physique statistique traitera les ensembles microcanonique et canonique, fera le lien entre la fonction de partition et les quantités thermodynamiques telles que l’énergie moyenne, la pression, la température et l’entropie. Ces résultats seront illustrés sur les gaz parfaits et sur quelques systèmes quantiques simples.     

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Une première partie du module consistera à présenter les métaux et alliages au travers de la cristallographie (du solide cristallin ‘’idéal’’ aux défauts et solutions solides), puis une deuxième partie sera consacrée à leur caractérisation par diffraction des rayons X et la dernière partie abordera leur synthèse par l’intermédiaire de leur diagramme binaire solide/liquide (description et construction) et les différentes transformations à l’état solide.

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En début de cet UE nous reprendrons d’une part les notions de rayon lumineux et les conditions d’approximation de l’optique géométrique et d’autre part les notions importantes pour l’optique physique de la physique ondulatoire.

Puis à partir de l’approximation scalaire des ondes lumineuses, cas particulier des ondes électromagnétiques, nous décrirons les sources lumineuses, les phénomènes d’interférences à 2 ondes, N ondes puis la diffraction dans l’approximation de Fraunhofer.

Nous poursuivrons par l’étude de différents systèmes physiques très utilisés en nous intéressant à leur pouvoir de résolution et leurs applications : microscope, lunette d’astronomie, interféromètre de Michelson, spectromètre à réseau, interféromètre de Fabry-Pérot.

Enfin nous terminerons par les notions de cohérence spatiale et de cohérence temporelle des surces lumineuses et leur utilisation (interférométrie stellaire, speckle...)

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Ce cours est une introduction simplifiée à la physique quantique.
On commencera par brosser un tableau historique des débuts de la mécanique quantique : spectre de raies d’émission atomique, rayonnement du corps noir (on verra la logique de cette appellation), effet photo-électrique, ...
Une présentation simplifiée des transformées de Fourier permettra de comprendre le lien entre largeur de raie spectrale et évolution temporelle dand un premier temps,
et plus loin de comprendre les inégalités de Heisenberg.
Une importante partie du cours sera consacrée aux ondes de matière, à travers l'équation de Schrödinger, dans des cas particuliers très simples.
Enfin, nous terminerons par quelques aspects du magnétisme (forcément quantique).

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Travaux pratiques dans divers domaines de la Physique.

Les thèmes abordés regroupent l’étude de systèmes oscillants mécaniques et électriques (pendule simple, de torsion, pendules couplés, circuit RLC, circuits couplés par induction), les ondes acoustiques, quelques notions d’optique ondulatoire (diffraction et interférences), la mise en pratique de circuits électroniques pour l’étude de composants ou de systèmes électriques (Diodes, LED et photodiode, ligne de transmission) et l’étude de quelques propriétés de la matière (magnétisme, effet photoélectrique, effet Faraday).

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Cette UE comporte une mise à niveau et un approfondissement des techniques de programmation ainsi qu’une introduction à la physique numérique. On commencera avec une révision de la programmation procédurale avec le langage Python 3. On présentera ensuite l’utilisation de méthodes numériques pertinentes pour la simulation et la résolution de problèmes physiques.

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Cette UE se situe dans la continuité des enseignements de dynamique du point et du solide rigide des L1 et L2. Il s’agit ici de donner des éléments de mécanique des milieux continus déformables essentiellement dans la limite des petites déformations, élasticité linéaire, viscoélasticité et viscosité. L’accent est donné sur les cas simples et les applications courantes.

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- Résonance magnétique nucléaire (RMN) du proton

- Résonance magnétique nucléaire (RMN) du carbone 13 

- Spectroscopie infrarouge (IR)

- Spectroscopie UV-visible

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Le projet tuteuré est un projet expérimental ou de simulation numérique réalisé en groupes de 3 étudiants. Il se déroule en salle de travaux pratiques, sur l'une des nombreuses thématiques de physique et de chimie proposées. Il confronte les étudiants à la démarche de projet, et mobilise leur créativité, leur esprit d'initiative, leur autonomie et leur rigueur dans les expériences. Le projet se conclue par un rapport et une soutenance, soumis à l'évaluation par les pairs puis à celle du jury.

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