CÉGEP DE SHERBROOKE

DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE

SESSION AUTOMNE 2009

PLAN DE COURS

Ondes et physique moderne (360-NYC-05)

(3-2-3)

Unités: 2.66

Tiré de L'affaire Tournesol de Hergé, Casterman ed..

Programme : Sciences de la nature

Professeur :
Martin Aubé, bureau 2-57-170
Courriel : martin.aube@cegepsherbrooke.qc.ca
Téléphone : 819-563-6450 poste 6232

www.cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema/

Texte ministériel

Le Ministère de l’éducation prescrit certaines assises à l’élaboration du programme et des cours du programme de Sciences de la nature. Le tableau suivant présente les bases associées au cours Ondes et physique moderne.

Objectifs généraux:

Fournir une base de connaissance dans le domaine des phénomènes ondulatoires, ainsi que sur certains aspects de la physique moderne
Acquisition d'une méthode de travail pour faciliter la résolution de problèmes nouveaux
Développer l'esprit d'initiative, l'autonomie, le sens critique, et la créativité
Intégrer la pratique de la méthode scientifique

Objectifs spécifiques:

Parfaire les aptitudes à rédiger une analyse scientifique cohérente
Explorer les possibilités d'utilisation de la modélisation numérique pour l'étude de l'univers physique
Exploiter avantageusement les concepts mathématiques suivants: dérivée, intégrale, équations différentielles, fonctions trigonométriques, série de Taylor, théorème de Fourier, vecteurs, scalaires
Comprendre les concepts physiques suivants: fréquence, période, amplitude, longueur d'onde, onde, interférence, diffraction, résonance, harmonique, battement, déphasage, effet Doppler, particule, cohérence, dispersion, intensité, photon, rayon lumineux, polarisation, fonction d'onde, probabilité de présence, corps noir, incertitude, orbitale, nombres quantiques, état quantique, raie spectrale, noyau atomique, désintégrations et réactions nucléaires, demi-vie, nucléon, erreur, précision, temps, énergie, quantité de mouvement, impulsion.
Comprendre et savoir utiliser les principes suivants: principe de superposition, conservation de l'énergie, conservation de la charge, conservation du nombre de nucléons, principe d'incertitude, principe d'exclusion de Pauli, principe d'équivalence, principe de relativité

Approche pédagogique

La matière sera présentée sous forme d'ateliers interactifs et exposés magistraux selon les besoins. Les ateliers interactifs seront régulièrement amorcés par le biais de situations-problèmes. Durant les situations-problèmes, vous serez amenés à intégrer un certain nombre de concepts pour arriver à une solution. Ces situations-problèmes seront, dans la mesure du possible, inspirées de phénomènes que vous pouvez observer dans la vie de tous les jours ou que vous pourrez reproduire et étudier en laboratoire avec des moyens modestes. Elles feront appel à un éventail de compétences expérimentales (mesures sur le terrain), théoriques, et méthodologiques (p.ex. recherche d'information valable sur le www). Un cours magistral fera généralement suite à une situation problème afin d'élargir l'horizon des connaissances acquises. Par cette démarche d'intégration de concepts vous serez graduellement conduits à développer une certaine acuité à remarquer et analyser des phénomènes souvent très familiers auxquels vous n'aurez peut-être jamais porté d'attention particulière auparavant. Je souhaite que vous puissiez développer votre sens de l'observation, développer votre capacité à transférer vos apprentissages, développer votre créativité tout en intégrant une approche d'analyse rigoureuse propre à la méthode scientifique. Les exposés magistraux seront aussi l'occasion de faire des exemples de résolution de problèmes, il vous sera recommandé de prendre des notes. Le volume de référence permettra de donner une version différente et souvent complémentaire à celle proposée par le professeur afin de favoriser une meilleure intégration des concepts pour tous (la lecture du volume sera nécessaire). Parallèlement au volume vous pourrez consulter à l'occasion un manuel en ligne que je suis en train de rediger.

(http://cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema/index.php?n=Publication.PrefaceMecanique)

Pour chaque thème abordé en classe, vous connaîtrez les sections pertinentes du volume. Un guide d'étude comprenant la liste des exercices suggérés est accessible sur le site web du cours. Ces exercices visent l'intégration des concepts théoriques un à un. Des exercices intégrateurs sont aussi proposés sur le site web. Ces derniers font intervenir plus d'un concept à la fois, ils vous permettront de vous préparer aux examens. Par son étude, l'étudiant doit s'assurer de dégager et intégrer ces concepts pour pouvoir les identifier par lui-même dans des situations différentes. Les problèmes d'examen seront tirés de situations de la vie de tous les jours dans la mesure du possible.

Des petites démonstrations expérimentales seront régulièrement insérées durant les heures de classe afin de favoriser la compréhension et afin d'augmenter l'intérêt face à aux concepts étudiés.

Un certain nombre de documents relatifs au cours seront disponibles via le World Wide Web sur un wiki dédié à mes cours et accessible à partir du site du département (via ma page personnelle).

http://www.cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema

Les documents pourront donc être consultés en ligne (dans le respect de l'environnement) ou imprimés à l'aide d'un navigateur WEB. Le wiki sera un lieu d'échange, de travail collaboratif, de gestion du temps, de diffusion et un espace favorisant l'évaluation formative et certificatives des compétences visées par le cours. Cet outil occupera une place fondamentale dans le déroulement du cours. À ce titre vous serez tenus de le consulter au moins une fois par semaine.

Contenu détaillé:

La correspondance aux sections du Benson sont données à la fin de chaque titre

Introduction

Voir l'introduction de manuel en ligne: http://cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema/index.php?n=Publication.PhysiqueMecanique

Qu'est-ce que la physique?
La méthode scientifique
Précision et erreur et incertitude
La notation en puissances de dix et les chiffres significatifs
Fabrication et utilisation d’un graphique
Ordre de grandeur et unités
Résolution d’un problème
Les référentiels et les systèmes de coordonnées
Contenu d'un rapport scientifique

Comportement ondulatoire

Définition et nature d'une onde 2.1, 3.1
Types d'ondes
Vitesse d'une onde dans une corde 2.3
Le principe de superposition 2.2
Réflexion et transmission des ondes 2.4
Résonance, ondes stationnaires 1.5, 2.7, 2.8, 3.2, 3.4
Ondes sinusoïdales 2.5, 2.6, 3.7
Effet Doppler 3.3
Ondes sonores 3.1, 3.2, 3.5

La lumière, une onde?

L'onde électromagnétique et le photon 4.1
Mesure de la vitesse de la lumière 4.9
Cohérence de phase et conservation de l'information 6.7
Réflexion et réfraction 4.3, 4.4
Dispersion et prismes 4.6
Intensité lumineuse
Réflexion totale interne 4.5

Optique physique

Condition d'interférence 6.1, 6.6
Expérience de Young et réseaux 6.3, 6.4, 7.4, 7.5
Interféromètre de Michelson 6.6
Interférences dans les couches minces 6.5
Diffraction 6.2, 7.1, 7.2, 7.3, 7.5
Polarisation 7.9

Physique quantique

Dualité onde-corpuscule 9.7, 10.1, 10.2, 10.7
Redéfinir la lumière (le photon) 9.7
Rayonnement du corps noir 9.1
Effet photo-électrique 9.2
Principe d'incertitude 10.6
Fonction d'onde et probabilité de présence 10.3, 10.4
Particule confinée dans une boîte 10.5
L'atome d'hydrogène 9.6, 9.4, 11.1, 11.2, 11.3
Les atomes complexes et le principe d'exclusion 11.5, 11.6
Les molécules diatomiques 11.7

Physique nucléaire et relativité

Modèle quantique du noyau 12.1, 12.2
Radioactivité et désintégration 12.3, 12.4
Principes de conservation
Réactions nucléaires 12.5, 12.6, 12.7
Introduction à la relativité 8.1, 8.2, 8.4, 8.6, 8.7, 8.8, 8.13

Laboratoires

Les équipes de laboratoire seront constituées de quatre étudiants. Pour réaliser les projets vous devrez déterminer par vous-même la démarche expérimentale optimale à utiliser de façon à répondre le mieux possible à la situation-problème. Cela implique la mise au point du protocole expérimental, la fabrication du montage expérimental et le choix de la méthodologie de réduction et d'analyse des résultats. Vous pourrez utiliser les matériaux disponibles au laboratoire de physique mais si vous jugez nécessaire de compléter avec d'autres matériaux vous pourrez vous les procurer vous-mêmes. La récupération de matériaux usagés devrait être valorisée.

La moitié des heures de laboratoire seront consacrées à la réalisation d'un projet de session. Comme il s'agit d'un projet original, vous devez vous attendre à commettre des erreurs qui vous forceront à revoir et améliorer votre démarche. Tous les rapports devront être conformes au guide de rédaction de Boisclair et Pagé.

Liste des projets

Mesure de la vitesse du son (2 semaines)
Projet d'envergure (6 semaines)

Évaluation

Évaluation formative

Chaque situation-problème sera l’occasion pour l’enseignant d’effectuer des observations et de transmettre, de façon orale ou par écrit via le wiki ou par courriel, des commentaires à l’étudiant. Ces observations et commentaires porteront autant sur l’utilisation adéquate et la compréhension des concepts et connaissances que sur les méthodes de travail, les stratégies employées, les attitudes et les comportements. Cette rétroaction continuelle de la part de l’enseignant permettra aux étudiants d’ajuster leurs attitudes, leurs stratégies et leur compréhension en cours de route. Vous êtes tenus de consulter votre espace d'équipe sur le wiki au moins une fois par semaine. Vous devrez maintenir un journal de bord à même le wiki ou vous consignerez vos remarques et notes en lien avec vos apprentissages. Vous pourrez aussi utiliser une liste de tâches sur le wiki pour faciliter la gestion de votre travail d'équipe. L'utilisation du wiki constitue une innovation pédagogiques, et par le fait même nous devrons laisser place à certains ajustements possibles de ce système en cours de route.

Évaluation sommative

L'évaluation sommative se fera sur la base de quatre habiletés fondamentales au cours. Chaque activité d'évaluation impliquera l'évaluation d'une ou plusieurs des quatre habiletés selon une pondération propre à chaque activité. Voici la liste des habiletés ainsi que les attentes du professeur face à leur maitrise par l'étudiant. Le système de notation de l'habileté est aussi indiqué dans un second tableau.

Tableau des habiletés et attentes face à l'étudiant

Habiletés	Attentes
1. Reconnaître et adapter les concepts, lois et principes appropriés à la situation.	- L’étudiant reconnaît un ensemble complet de concepts permettant de traiter la situation. - L’étudiant adapte ces concepts à la situation de façon pertinente et cohérente. - L’étudiant fait référence de façon explicite aux concepts.
2. Modéliser et traiter, théoriquement ou expérimentalement, de façon adéquate, juste et rigoureuse.	- L’étudiant modélise de façon pertinente la situation avec une modélisation suffisamment raffinée pour répondre aux besoins de la situation. - L’étudiant choisit des méthodes et des outils pertinents pour traiter la situation et justifie les choix effectués. - L’étudiant fait part de sa modélisation et de son traitement dans une démarche explicite, rigoureuse, structurée et cohérente. - La démarche présentée par l’étudiant est juste et exacte. - L’étudiant démontre un bon niveau d’appropriation de l’ensemble de la démarche.
3. Juger et critiquer les méthodes, la démarche et les conclusions et reconnaître leurs limites.	- L’étudiant interprète les résultats de manière adéquate et intègre. - L’étudiant est en mesure de faire une critique de la démarche et des résultats et montre un certain niveau de conscience de l’implication des limites ou des choix sur le dénouement. - L’étudiant a recours de manière adéquate aux résultats et graphiques comme élément de preuve. - L’étudiant est en mesure d’avoir une certaine prospective sur des éventualités futures concernant le problème.
4. Communiquer de manière efficace, juste et appropriée.	- L’étudiant fait preuve de concision, de clarté et de fluidité. - L’étudiant emploie une terminologie appropriée. - L’étudiant a recours à une langue écrite ou parlée de bonne qualité. - L’étudiant est en mesure de communiquer un travail à l’aide d’une présentation de qualité et qui respecte les normes établies.

Système de notation

Niveau	Description	Note
Optimal	Ne nécessite pratiquement aucune amélioration	5
Opérationnel	Nécessite une légère amélioration	4
Suffisant	Nécessite une grande amélioration	3
Insuffisant	Nécessite une trop grande amélioration pour être suffisant	0 - 2

Pondération des activités d'évaluation en fonction des habiletés:

Évaluation	Pourcentage de la note de session	Fraction habileté 1	Fraction habileté 2	Fraction habileté 3	Fraction habileté 4
Examen 1 (5e semaine)	10%	0.3	0.7	0	0
Examen 2 (13e semaine)	25 %	0.3	0.7	0	0
Test éclair (15e semaine)	5%	0.3	0.7	0	0
Examen oral (16e semaine)	15%	0.4	0.25	0.25	0.1
Analyse de film	5%	0.7	0	0	0.3
Projet 1: vitesse du son	10%	0.1	0.35	0.3	0.25
Projet 2: projet d'envergure	25%	0.1	0.35	0.3	0.25
Contribution au journal de bord	5%	-	-	-	-

En cas de difficulté de travail au sein de l'équipe de laboratoire, vous aurez à compléter une fiche de coévaluation. Chacun des membre de l'équipe aura à établir le niveau de travail (sur une échelle de 0 à 10) que ses coéquipiers et lui même ont respectivement investis dans le laboratoire. Ces fiches devront être remises par écrit au professeur simultanément à la remise du rapport. L'évaluation des rapports s'appui sur la grille d'évaluation ci-dessus sur la base des quatre habiletés. Le résultat final pourra être modulé légèrement en fonction de l'originalité/créativité, et de l'esprit d'initiative manifestés tout au long du projet.
Le premier examen écrit d'une durée de 1 heure portera sur le comportement ondulatoire et se tiendra dès la 5^e semaine de cours. Le deuxième examen écrit d'une durée de 2 heures sera récapitulatif et se tiendra à la 13^e semaine. Ces examens feront appel à votre compréhension des phénomènes physiques concernés. Ils seront composés de problèmes originaux (différents de ceux fait en exercices) et appliqués à la vie de tous les jours. Généralement, ils seront relativement faciles d'un point de vue mathématique. Toutefois, ceux et celles qui n'auront pas fait suffisamment d'exercices et d'étude auront sans doute de la difficulté à identifier le phénomène physique impliqué dans le problème. Vous aurez droit à une feuille recto manuscrite aide mémoire. La correction portera principalement sur la démarche plutôt que la réponse.
L' examen oral, est composé de questions de compréhension. Vous disposerez de toute la session pour faire le tour de ces questions. Vous aurez alors à vous présenter individuellement pour répondre à deux questions parmis quatre sélectionnées au hasard. Aucune documentation ne sera permise lors de l'évaluation. La durée maximale de l'examen oral est de 8 minutes.
La rédaction des rapports doit obligatoirement être faite en ligne sur le Wiki du cours (http://www.cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema). Les étudiants devront voir à ce que la présentation soit soignée et bien synthétisée car les rapports pourront être accessibles aux internautes du monde entiers. Des images pourront être insérées au rapport pour servir la clarté du travail.
À chaque chapitre vous disposerez d'une série d'exercices. Vers la 15^e semaine, je vous soumettrai un test éclair sans préavis au cours duquel vous aurez à répondre à une des questions faite en exercice (aucune note permise). La durée du test éclair sera déterminée de façon à ce que ceux qui auront fait les exercices soient favorisés.

Disponibilité:

Vous pourrez me rencontrer sur rendez-vous à mon bureau situé au département de physique. Je serai aussi TRÈS facile à rejoindre par courriel à l'adresse figurant sur la page couverture.

Rétroaction sur le cours:

Une rétroaction sur le déroulement du cours peut se faire à tout moment au cours de la session, si les étudiants ou le professeur en sentent le besoin. Vos suggestions et commentaires sont importants pour l’enseignant et pour l’évolution du cours. Ils devraient être faits sur le wiki dans la section réservée à la rétroaction.

http://cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema/index.php?n=APPWiki.A09Cours01Retro

Le mot de passe pour pouvoir éditer cette page sera inscrit dans votre espace de travail d'équipe sur le wiki.

Politiques départementales:

La présence aux laboratoires et aux examens est obligatoire. Toute absence non motivée entraîne automatiquement la note zéro. Une absence devra être justifiée par une raison sérieuse dans les plus brefs délais, avec preuve à l’appui.
En cas de retard dans la remise d’un travail, une pénalité de 10% par jour de retard sera appliquée, à moins d’entente contraire préalable.
Lorsque l’enseignant remet une appréciation ou une évaluation à un étudiant, cet étudiant peut demander des clarifications ou précisions sur l’évaluation. Si toutefois l’étudiant juge que l’évaluation n’est pas conforme à son niveau d’atteinte de la compétence, il doit immédiatement demander une rencontre avec son enseignant afin de réexaminer plus en profondeur le processus d’évaluation. Si après cette rencontre, l’étudiant se sent toujours lésé, il dispose d’un délai maximal de trois jours de classe pour faire une revendication écrite auprès de la coordination départementale.

Médiagraphie:

Documentation de base:

Le wiki du cours
BENSON, Harris, (PHYSIQUE 3) Ondes, optique et physique moderne, ÉRPI (3ième édition).
BOISCLAIR, Gilles et PAGÉ, Jocelyne, Guide des sciences expérimentales, 3e édition, ERPI, 2004
Utilisation de l’ordinateur dans la rédaction des rapports de laboratoire, Département de physique

Lectures suggérées:

Giancoli Douglas C., Ondes, optique et physique moderne, Éditions de la Chenelière, 1993, Montréal.
Feynman Richard, La nature de la physique, Éditions du Seuil, 1980, Paris.
Reeves Hubert, L'heure de s'enivrer, l'univers a-t-il un sens, Édition du Seuil, 1986, Paris.

Calendrier indicatif:

Semaine	Théorie	Laboratoire	Situations problèmes	À remettre
1	Présentation / Introduction	Introduction/ Wiki	-Linge brulé -billet vert -masse double corde	liste des équipes
2	Ondes	Ondes	-Ondes progressives -transversales/longitudinales -réflexions -transmissions
3	Ondes	Projet 1	-Verre à vin -Tuyau rotatif -Bon. carnaval -Douche ou tunnel -flûte maison -Mat du drapeau
4	Lumière	Projet 1	-coin de cube -Daguerre-Soleil -lentille-image -flame dans l'eau -boîte magique -Bécher invisible
5	Optique physique	Examen 1	-Interférence dans le champ	Copie de l'examen 1
6 (5 oct)	Optique physique	Projet 2	-Young-laser -diffraction doigts -diffraction laser-épingle -bulles de savon -polarisants -réseau et lunette 3d	Rapport 1
7	Quantique	Exercices
8	Quantique	Projet 2	-Tubes et réseau
9	Quantique	Projet 2	-anneau et orbitale -spectroscopie
10	Quantique	Projet 2
11	Nature et structure de l'Univers 16 nov.	Projet 2 18 nov.	-Voyage relativiste
12	Nature et structure de l'Univers 23 nov.	Projet 2 25 nov.	-demi-vie
13	Évolution et mouvement dans l'Univers 30 nov.	Examen 2 2 déc.		Copie de l'examen 2
14	Évolution et mouvement dans l'Univers 7 déc.	Retour nucléaire et relativité 9 déc.	-Calendrier cosmique -Modèle réduit du S.S. -Puissanses de dix	Inscription examen oral Rapport 2
15	test éclair sur le nucléaire et relavitité Visionnement du film 14 déc.	Encadrement	-Film Contact	Copie du test éclair
16	Examen oral Toutes les questions 21 déc.	Examen oral Toutes les questions 23 déc.		remise de l'analyse de film

A09Cours01Plan