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CÉGEP DE SHERBROOKE
DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE
SESSION AUTOMNE 2017
PLAN DE COURS
Ondes et physique moderne (203-NYC-05)
(3-2-3)
Unités: 2.66
 Tiré de L'affaire Tournesol de Hergé, Casterman ed..
Programme : Sciences de la nature
Préalable :
- Le cours de Mécanique (203-NYA-05) lui est un préalable absolu.
- Le cours de Calcul Intégral (201-NYB-05) lui est un préalable relatif.
- Ce cours est un préalable absolu aux cours Intégration en sciences – Mathématiques (201-425-SH) et Intégration en sciences – Physique (203-425-SH).
Professeur :
Martin Aubé, bureau 2-57-170, labo de recherche au 2-51-205
Courriel : martin.aube@cegepsherbrooke.qc.ca
Téléphone : 819-563-6450 poste 4146
www.cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema/
Compétence à acquérir durant le cours:
Objectifs généraux:
En plus de la compétence large énoncée ci-haut, nous tenterons d'atteindre les objectifs suivants:
- Développer l'esprit d'initiative, l'autonomie, le sens critique, et la créativité
- Intégrer la pratique de la méthode scientifique
- Acquisition d'une méthode de travail efficace pour la résolution de problèmes nouveaux
- Fournir une base de connaissance dans le domaine des phénomènes ondulatoires, de l'optique, ainsi que sur certains aspects de la physique moderne
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 principalement sous forme d'exposés magistraux qui seront fréquemment entrecoupés de situations problèmes ou de petites démonstrations intrigantes.
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 tandem à des situations problèmes 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).
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.
Contenu détaillé:
La correspondance aux sections du Benson sont données à la fin de chaque titre
Introduction
Voir l'introduction du 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
- Système harmoniques simples et amortis 1.1, 1.2, 1.3, 1.5
- Définition et nature d'une onde 2.1, 3.1
- Types d'ondes 2.1, 2.3
- Vitesse d'une onde dans une corde 2.2
- Le principe de superposition 2.6
- Réflexion et transmission des ondes 2.5
- Résonance, ondes stationnaires 1.6, 2.7, 2.8, 2.9, 3.2, 3.4
- Ondes sinusoïdales 2.4, 2.7, 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, 4.2
- Mesure de la vitesse de la lumière 4.12
- Cohérence de phase et conservation de l'information 6.7
- Réflexion et réfraction 4.6
- Dispersion et prismes 4.8
- Intensité lumineuse
- Réflexion totale interne 4.7
Optique physique
- Condition d'interférence 6.1
- 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, 10.9
- Redéfinir la lumière (le photon) 9.8
- Rayonnement du corps noir 9.2
- Effet photo-électrique 9.3
- Principe d'incertitude 10.7
- Fonction d'onde et probabilité de présence 10.4, 10.5
- Particule confinée dans une boîte 10.6
- L'atome d'hydrogène 9.5, 9.6, 9.7, 11.1, 11.2, 11.3
- Les atomes complexes et le principe d'exclusion 11.4, 11.6
- Les molécules diatomiques
Physique nucléaire et relativité
- Introduction à la relativité 8.1, 8.3, 8.5, 8.6, 8.7, 8.8, 8.9, 8.13, 8.14
- Transformation de Lorentz et addition des vitesses 8.10, 8.12
- Quantité de mouvement et énergie 8.14
- Notions de relativité générale
- Notions de cosmologie
- Modèle quantique du noyau 12.1, 12.2
- Radioactivité et désintégration 12.3, 12.4
- Principes de conservation
- Réactions nucléaires 12.6, 12.7, 12.8
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.
Les heures de laboratoire seront consacrées à la réalisation de trois projets. Comme il s'agit de projets originaux, vous devez vous attendre à commettre des erreurs qui vous forceront à revoir et améliorer votre démarche.
En laboratoire, les expériences visent le développement de compétences touchant les étapes de la démarche scientifique, les méthodes d’analyse des résultats expérimentaux et la rédaction de rapports de laboratoire. L'évaluation de la partie expérimentale de ce cours mettra l’emphase sur la rédaction du cadre théorique (contexte et fondements) et de la méthodologie. Les compte-rendus de laboratoires devront présenter le cadre théorique et la méthodologie seulement.
L’étudiant devrait donc être amené à rédiger un rapport complet durant ce cours. Ce rapport devra respecter les normes communes adoptées par le département de physique (diffusé sur LÉA).
Liste des projets
- Mesure de la vitesse du son (3 semaines)
- Mesure bolométrique de la température de surface du Soleil (5 semaines)
- Modélisation numérique d'un système physique complexe (4 semaines)
Détails: http://cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema/index.php/APPWiki/A17Cours01Projets
Évaluation
Évaluation formative
Les situations-problèmes seront possiblement l’occasion pour l’enseignant d’effectuer des observations et de transmettre, de façon orale ou par écrit, 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 de la part de l’enseignant permettra aux étudiants d’ajuster leurs attitudes, leurs stratégies et leur compréhension 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.
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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
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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) | 20% | 0.4 | 0.5 | 0 | 0.1 |
| Examen 2 (11e semaine) | 25% | 0.4 | 0.5 | 0 | 0.1 |
| Compte-rendu du projet 1: vitesse du son | 5% | 0.15 | 0.4 | 0.2 | 0.25 |
| Rapport complet du projet 2 | 10% | 0.15 | 0.4 | 0.2 | 0.25 |
| Évaluation Finale | 40% |
| Compte-rendu du projet 3 | 10% | 0.15 | 0.4 | 0.2 | 0.25 |
| Examen final (15e semaine) | 30% | 0.4 | 0.5 | 0 | 0.1 |
- 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 projet. 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 premier examen écrit portera sur le comportement ondulatoire et se tiendra dès la 5e semaine de cours. Le deuxième examen écrit sera récapitulatif et se tiendra à la 10e semaine, alors que l'examen final, aussi récapitulatif, se tiendra à la dernière semaine du cours. 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 peut-être 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 sur la réponse.
- La qualité de la langue fera l'objet d'une pondération de 10% de la note finale.
Disponibilité:
Vous pourrez me rencontrer sur rendez-vous à mon bureau situé au département de physique ou encore à mon laboratoire de recherche au 2-51-205. Je serai aussi TRÈS facile à rejoindre par courriel à l'adresse figurant sur la page couverture.
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.
- Lors de la remise des travaux et des examens, le professeur présentera la solution en classe ou expliquera la grille de correction. Les étudiants qui le souhaitent auront immédiatement l’occasion de faire vérifier la correction par leur professeur. Cependant, en cas de désaccord, ils disposeront par la suite d’un délai maximal de cinq jours de classe pour faire une revendication auprès de la coordination départementale afin qu’elle forme un comité officiel de révision de note dans des délais raisonnables.
Médiagraphie:
Documentation de base:
Lectures suggérées:
- Feynman, Richard, La nature de la physique, Éditions du Seuil, 1980, Paris.
- Charpak, Georges, Devenez sorciers devenez savants, Odile Jacob, 2002, Paris.
- Reeves, Hubert, L'heure de s'enivrer, l'univers a-t-il un sens, Édition du Seuil, 1986, Paris.
- BOISCLAIR, Gilles et PAGÉ, Jocelyne, Guide des sciences expérimentales, 4e édition, ERPI, 2004
APPWiki.A17Cours01CalSimple
Calendrier indicatif:
Semaine
dates
| Théorie
| Laboratoires / évaluations
| Situations problèmes possibles
| 1
24, 21 août
| Présentation / Introduction
| Introduction
| -Linge brulé
-billet vert
-masse double corde
| 2
31, 28 août
| Ondes
| Formation des équipes début discussions autour des projets
| -Ondes progressives
-transversales /longitudinales
-réflexions
-transmissions
| 3
7, 18 sept.
| Ondes
| Projet 1
| -Verre à vin
-Tuyau rotatif
-Bon. carnaval
-Douche ou tunnel
-flûte maison
-Mat du drapeau
| | 14, 11 sept.
| Cours suspendu
| Cours suspendu
|
| 4
21, 25 sept.
| Lumière
| Projet 1
| -coin de cube
-Daguerre-Soleil
-lentille-image
-flame dans l'eau
-boîte magique
-Bécher invisible
| 5
28, 2 oct.
| Lumière
| Examen 1: ondes
| -Interférence dans le champ
| 6
5 oct., 10 oct.
| Lumière / Optique physique
| Projet 2
Compte-rendu projet 1
| -Young-laser
-diffraction doigts
-diffraction laser-épingle
-bulles de savon
-polarisants
-réseau et lunette 3d
-10$
| 7
12, 16 oct.
| Optique physique
| Projet 2
|
| 8
19, 30 oct.
| Optique physique / Quantique
| Projet 2
| -Tubes et réseau
| 9
2, 6 nov.
| Quantique
| Projet 2
| -anneau et orbitale
-spectroscopie
| 10
9, 13 nov.
| Quantique
| Projet 2
|
| 11
16, 20 nov.
| Projet 3
| Examen 2: Lumière et optique physique Rapport complet projet 2
|
| 12
23, 27 nov.
| Quantique
| Projet 3
| -Voyage relativiste
| 13
30, 4 déc.
| Notions de relativité / cosmologie et topologie de l'Univers
| Projet 3
| -Calendrier cosmique
| 14
7, 11 déc.
| Cosmologie / Nucléaire
| Projet 3
| -demi-vie
| 15
14, 18 déc.
| Révision de la session
Compte-rendu projet 3
| Examen final
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