L3 - Physique - Chimie

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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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