COLLÈGE DE SHERBROOKE

DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE

SESSION 2000-3

PLAN DE COURS

ONDES, OPTIQUE ET PHYSIQUE MODERNE

203-NYC-05

Plan d'études: ondes, optique et physqiue moderne

Groupes : 2201 à 2207

Professeurs : François Lassonde

Patrick Labrecque

Laurier St-Amant

Martin Aubé

www.collegesherbrooke.qc.ca/~phy

Notes préliminaires

Le cours d'onde, optique et physique moderne est le troisième et dernier cours de physique dans le programme des sciences de la nature. Dans ce plan d'études, nous allons vous exposer les principaux objectifs du cours, en rapport avec les objectifs des autres cours de physique ainsi qu'avec ceux des autres cours de sciences de votre programme. Ce document devrait vous être utile dans la planification de votre travail personnel. Vous y trouverez les contenus couverts dans chacune des parties du cours, ainsi que les dates d'examens, de remises des travaux et d'expériences de laboratoires.

Les notions étudiées dans les cours de mécanique et d'électricité et magnétisme seront réutilisées durant la session. La compréhension de certaines propriétés des ondes mécaniques repose sur les lois de Newton. Nous parlerons beaucoup de la lumière et des ondes électromagnétiques en général.

On utilisera le calcul différentiel et quelquefois le calcul intégral dans les exposés théoriques et dans le traitement de problèmes particuliers.

En plus de renforcer les notions apprises dans vos deux premiers cours de physique, ce troisième cours vous donnera une perspective plus complète de la physique dans son état actuel. À la fin du dix-neuvième siècle, la mécanique de Newton, la théorie électromagnétique de Maxwell, la thermodynamique et la théorie ondulatoire constituaient les fondements de la physique. Ces bases étaient considérées par plusieurs comme étant satisfaisantes pour décrire l'ensemble des phénomènes connus à l'époque. Plusieurs expériences ont cependant obligé les physiciens à réviser ces théories et à élargir les bases conceptuelles de la physique. Ainsi sont nées la mécanique quantique et la théorie de la relativité. Ces théories constituent non seulement les nouvelles bases de la physique, mais jouent aussi un rôle essentiel en chimie et dans tous les secteurs de la technologie moderne.

Objectifs généraux

• Analyser des phénomènes sonores et lumineux à partir du modèle ondulatoire et des lois de l'optique.

• Discuter la nécessité du concept de quantification et la complémentarité des modèles corpusculaire et ondulatoire dans la description de la lumière et des phénomènes microscopi­ques.

Objectifs spécifiques

Théorie :

Au terme de ce cours, l'étudiant devrait être en mesure :

1. D'analyser le mouvement oscillatoire à partir des lois de la dynamique et des principes de conservation.

2. D'appliquer le modèle ondulatoire pour expliquer plusieurs phénomènes sonores et lumineux .

3. D'analyser un système optique simple à partir des lois de la réflexion et de la réfraction.

4. D'énoncer les deux hypothèses de la théorie de la relativité restreinte et d'en décrire les principales conséquences.

5. De décrire quelques expériences fondamentales qui ont conduit à l'élaboration de la physique moderne.

6. D'appliquer le concept de dualité onde corpuscule dans quelques situations simples.

7. D'appliquer le modèle atomique de Bohr.

8. De décrire des phénomènes liés au noyau atomique.

Expériences de laboratoire

Au terme de ce cours, l'étudiant devrait être en mesure :

1. De réaliser une expérience de laboratoire à partir d'un protocole établi.

2. D'appliquer différentes méthodes d'analyse de résultats expérimentaux.

3. De rendre compte d'une expérience scientifique dans un rapport de laboratoire complet et cohérent.

4. D'utiliser plusieurs instruments de base du laboratoire de physique.

Contenu du cours

Théorie :

(Chapitres et articles tirés du volume de base obligatoire : H. Benson, PHYSIQUE 3 : ONDES, OPTIQUE ET PHYSIQUE MODERNE, ÉRPI, 2ième édition.

EXAMEN

EXAMEN

EXAMEN FINAL

NOTE : Certains sujets connexes ou aperçus historiques vous seront demandés durant les cours.

Expériences de laboratoire :

1. Les ondes stationnaires (rapport complet).

2. Miroirs sphériques et lentilles minces (comptes-rendus).

3. Diffraction et interférence (comptes-rendus).

4. La radioactivité (rapport complet).

5. Spectrométrie (comptes-rendus).

6. Quelques démonstrations.

MÉTHODOLOGIE

Nous ne visons pas dans ce cours à mémoriser ou à appliquer automatiquement des formules de physique. Il s'agit plutôt de rechercher la compréhension des différents phénomènes étudiés et les liens qu'ils ont avec le monde qui nous entoure. Le rôle du professeur est de présenter les notions essentielles et leurs liens avec des phénomènes naturels, avec la technologie moderne ou avec d'autres disciplines du programme. Celui de l'étudiant est de pouvoir appliquer ces notions de façon pertinente et rigoureuse ainsi que de faire la synthèse des connaissances acquises de manière à ce qu'elles forment un tout cohérent.

Certains fils conducteurs permettent de lier les différentes notions du cours. Par exemple, presque tout le contenu peut être rattaché aux ondes électromagnétiques, d'une extrémité à l'autre du spectre : radiofréquences, micro-ondes, infrarouges, lumière visible, ultraviolets, rayons X et rayons g. On peut associer au spectre électromagnétique divers phénomènes en fonction des énergies impliquées : l'infrarouge avec les vibrations moléculaires, le visible et l'ultraviolet avec les transitions électroniques de l'atome, les rayons g avec les changements d'état du noyau atomique. La possibilité de produire et de détecter le rayonnement dans ces différentes régions du spectre a eu une influence majeure sur la technologie et l'instrumentation scientifique modernes. Enfin, la complémentarité des modèles corpusculaire et ondulatoire constituera un thème unificateur du cours.

L'étudiant doit lire les sections indiquées dans le contenu avant de se présenter au cours. Le professeur délimite la matière à couvrir et signale les éléments qui paraissent les plus importants. Il signale aussi les exercices du livre qui permettent le mieux de saisir les notions essentielles du cours. Il fait ensuite un résumé de la matière, répond aux questions des étudiants et traite en exemple quelques exercices. Il appartient à l'étudiant de s'assurer qu'il a atteint une compréhension suffisante de la matière.

Pour les laboratoires, les étudiants sont regroupés en équipes de deux ou trois. En général, les équipes manipulent à toutes les deux semaines. Les semaines où il n'y a pas d'expérience, le temps prévu pour le laboratoire est consacré à la préparation de l'expérience suivante, à la rédaction du rapport du laboratoire précédent, à des périodes d'exercices ou d'examens. Les expériences doivent être préparées de façon à ce que l'étudiant ait, à son arrivée au laboratoire, une idée claire du travail qu'il aura à y faire.

Un cahier (obligatoire) donnant une description des laboratoires est disponible à la biblairie. Vous pourrez cependant modifier ces expériences pour atteindre des objectifs différents, c'est-à-dire ceux que vous vous donnerez.

Évaluation

Répartition des points :

1. Examen 1 20%

2. Examen 2 25 %

3. Examen 3 25%

4. Laboratoires 30 %

TOTAL: 100%

• Une partie de la note de laboratoire pourrait être attribuée à une lecture d'intérêt général.

• Les examens périodiques ont une durée de 2 périodes et couvrent la matière indiquée au calendrier opérationnel.

• L'absence non motivée aux examens entraîne une note de zéro. Une absence devra être justifiée par une raison sérieuse, avec preuve à l'appui.

Rétroaction

Une évaluation du déroulement du cours peut se faire à tout moment au cours de la session, si les étudiants ou le professeur en sentent le besoin. Nous sommes toujours ouverts à vos suggestions pour améliorer l'efficacité du cours. Une rétroaction écrite pourra se faire à un moment jugé opportun.

Calendrier opérationnel

Bibliographie

Livres de base

• BENSON, Harris, (PHYSIQUE 3) Ondes, optique et physique moderne, ÉRPI (2ième édition).

• Ondes, optique et physique moderne, cahier de laboratoire, département de physique.

Lecture recommandée

• BOISCLAIR G. et PAGÉ J., Guide des sciences expérimentales, ERPI, 1992.

• BRUCE, Colin, L'étrange affaire du chat de Mme Hudson, Flammarion, 1998.

Lectures suggérées

• GIANCOLI, D., Physique générale : ondes, optique et physique moderne, Éditions CEC, 1993.

• RESNICK R. ET HALLIDAY D., Physique 3 : ondes, optique et physique moderne, ERPI, 1980.

• ARÈS, A. et MARCOUX, J. Structure de la matière p. 301 Lidec, 1971.

• BALKANSKI, M., SEBENNE, C., Physique 2. Ondes et phénomènes vibratoires Dunod, 1969.

• BENSON, H. (PHYSIQUE III) Ondes. optiques et physique moderne, ERPI.

• DION, Jean-Luc, Ondes et vibrations Centre éducatif et culturel, 1974.

• GAMOW, Trente années qui ébranlèrent la physique (histoire de la théorie quantique). Dunod.

• STEVENSONS & MOORE, Matière et énergie, McGraw-Hill.

• BANESH, HOFFMAN, Albert Einstein, créateur et rebelle Éditions du Seuil, 1975

• GRIBLIN, J. François, La vie d'Albert Einstein, Menges, 1984.