Mission Scientifique Technique et Pédagogique Société Française de Physique
La Physique en Licence
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Daniel Bideau, Aline Bonami, Daniel Boujard, Gilberte Chambaud, Jean Cosléou,
Patrice Hesto, Claudine Kahane, Yves Leroyer, Alain Menand, André Morel,
Fabrice Mortessagne, Françoise Rouquerol, Jean-Francois Stephan, Eric Suraud,
Bernard Tamain, Jacques Treiner.
Préambule
L’expérience de ces dix dernières années montre que, pour différentes raisons que nous n’arriverons pas à analyser de façon exhaustive, le nombre d’étudiants qui suivent un enseignement universitaire de physique est faible. Il est clair toutefois qu’une nation moderne a besoin de scientifiques de haut niveau pour des raisons économiques autant que culturelles. Le temps est venu d’amplifier les efforts pour remédier à cette carence.
Les formations offertes par l’enseignement supérieur français tendent à devenir plus lisibles, aussi bien au niveau national qu’international, par la mise en place du LMD. L’instauration du L pose pourtant problème quant au contenu de la licence pour les étudiants qui ont choisi physique comme majeure. Il ne s’agit pas bien sûr d’instaurer un “ programme de physique officiel ” pour la licence, ce qui serait prétentieux et hors sujet. Il ne s’agit pas non plus de diminuer fortement les degrés de liberté qu’une telle réforme offre, qui sont le reflet des forces et des priorités scientifiques d’une Université donnée. Non, il s’agit de réfléchir à ce que la société et l’Université sont en droit d’attendre d’un licencié en physique ; la société pour ce qui concerne les services que devrait lui apporter un de ses membres diplômé à ce niveau, l’Université pour ce qui concerne les pré-requis qu’elle attend d’un étudiant qui demanderait à s’inscrire dans un de ses masters.
Le département “ Physique ” de la Mission Scientifique, Technique et Pédagogique du Ministère de la Recherche, aidé par le département “ Mathématiques ” et le département “ Chimie ” s’est réuni avec la Société Française de Physique et la Société Française de Chimie pour tenter d’élaborer un document qui n’a pas vocation à être l’expression de la juste parole, mais qui reflète les positions des participants à ce groupe de travail et celles des scientifiques avec lesquels ils ont pu échanger pendant les quelques mois consacrés à ce travail.
Enfin, pour les enseignements de physique, nous avons essayé d’aller à l’essentiel, tout en ne perdant pas de vue qu’il “ fallait montrer aux étudiants que la physique est belle ”. Bien évidemment, les particularités des laboratoires de l’Université concernée doivent permettre de colorer de façon originale chaque licence.
Il n’est pas possible de parler des connaissances à transmettre sans se poser la question de
“ comment les transmettre ”. Le premier constat est alors que de façon intrinsèque, la physique est une science expérimentale. Le deuxième constat est que l’enseignement expérimental tel qu’il est pratiqué dans nos universités a besoin d’être modernisé et rendu plus attractif. Sans remettre complètement en cause les TP classiques, nous en sommes arrivés à la conclusion que leur importance dans l’enseignement de la licence devait être réduite, pour laisser la place à des expériences de cours illustrant telle ou telle partie du cours.
Des projets expérimentaux permettent aux étudiants de mettre en œuvre leurs connaissances de façon plus autonome et plus créative. Il est également indispensable que les laboratoires de recherche s’ouvrent à ces étudiants en leur permettant de découvrir et d’utiliser des outils modernes de la physique et de découvrir ce qu’est la recherche scientifique. Le stage en laboratoire a aussi pour rôle de compléter cette formation expérimentale.
Si la physique est au cœur de nos réflexions, les enseignements de mathématiques et de chimie constituent bien évidemment des “ briques de base ” de la culture du physicien et ce document tente aussi de mettre un contenu scientifique derrière ce terme de brique de base.
L’ouverture vers d’autres disciplines et l’élargissement de la culture scientifique fait aussi partie de la formation, de façon d’ailleurs importante. Nous donnons quelques exemples de ce que pourraient être des modules d’ouverture vers les disciplines voisines que sont la biologie et la géologie. Que les collègues biologistes et géologues qui nous ont aidés reçoivent ici nos plus chaleureux remerciements. Mais il est clair que pour cette part surtout, les forces et les particularismes locaux doivent être les éléments essentiels des choix de formation. Nous ne nous étendons pas sur les enseignements de culture générale qui pour l’essentiel devraient refléter les particularités locales et doivent s’adresser à un public plus large que les futurs physiciens. Il nous semble cependant qu’un cours d’histoire des sciences serait très formateur, de même que la participation des étudiants à la diffusion de la culture scientifique.
Le contrôle des connaissances est un élément important de l’enseignement universitaire. Il ne nous paraît pas essentiel de faire des choix entre contrôle continu et examens finaux, d’autant que ce choix peut être très orienté par les particularismes locaux. Cependant il s’est fait une belle unanimité parmi nous pour regretter la faible place laissée aux oraux, qui pourraient être un excellent exercice de formation, y compris bien sûr hors du champ du contrôle des connaissances.
Ont participé à ces travaux :
Daniel Bideau (MSTP - physique) Aline Bonami (MSTP - mathématiques) Daniel Boujard (U. Rennes1)
Gilberte Chambaud (SFC – Marne la Vallée) Jean Cosléou (SFP - Lille)
Patrice Hesto (MSTP - physique) Claudine Kahane (SFP- - Grenoble) Yves Leroyer (SFP - Bordeaux) Alain Menand (MSTP – physique) André Morel (SFP - Saclay) Fabrice Mortessagne (SFP - Nice) Françoise Rouquerol (SFC)
Jean-Francois Stephan (MSTP – géologie) Eric Suraud (CNRS – IN2P3)
Bernard Tamain (MSTP - physique) Jacques Treiner (SFP - Paris)
Une répartition graduée au fil des semestres…
Une répartition synthétique des enseignements dans un parcours “ physique ” est présentée ci- dessous. Elle doit permettre à l’étudiant un apprentissage d’autres disciplines (mathématiques, chimie, langues, …) en début de parcours et de se concentrer sur la physique lors des derniers semestres. Le tableau montre également le lien existant entre les différentes unités enseignées chaque semestre.
Nous n’avons pas effectué de découpage en heures de cours, TD, TP car il nous semble que cela tient plutôt du choix par les Universités des méthodes pédagogiques qu’elles souhaitent mettre en œuvre.
En termes de crédits ECTS, nous avons pris comme base 1 crédit pour 10 heures d’enseignement présentiel. La base horaire que nous nous sommes fixée est donc de 1800 heures sur l’ensemble des trois années de la licence. Nous avons choisi de proposer un enseignement ne représentant que 1425 heures, le reste étant consacré à des projets expérimentaux, à l’histoire des sciences, aux langues, aux modules d’ouverture et culturels, …
Enfin il nous paraît indispensable qu’un temps soit dégagé très tôt dans le cursus (au S1, en mécanique ou en optique géométrique) pour une sensibilisation sous forme de cours ou de TP au problème de la mesure physique. La physique est une science expérimentale et la mesure est une action essentielle du physicien qui doit en connaître les limites (en particulier la notion d’erreur de mesure).
Dans les pages qui suivent est donné le contenu des thèmes retenus pour un parcours “ physique ”.
Ces contenus sont plus ou moins détaillés et apparaissent donc plus ou moins ambitieux. Il nous a paru intéressant d’inclure des sujets qui, sans être essentiels au niveau L, peuvent retenir l’attention d’une Université qui voudrait aller plus loin sur un thème donné, par exemple lorsque ce dernier constitue une base nécessaire à l’un des ses masters. Ces pistes de réflexions sont indiquées en italique dans les contenus.
L1 (165 heures)
• Optique géométrique (60 heures ; S1 ou S2)
• Mécanique I : forces, champs, énergies (60 heures ; S1 ou S2)
• Thermodynamique I : fondamentaux (45 heures ; S2) L2 (255 heures)
• Physique quantique I : mécanique quantique (60 heures ; S3 ou S4)
• Thermodynamique II : applications (45 heures ; S3 ou S4)
• Mécanique II : statique et dynamique du solide et des fluides (60 heures ; S3 ou S4)
• Electromagnétisme (90 heures ; S3 ou S4) L3 (315 heures)
• Relativité (30 heures ; S5 ou S6)
• Physique quantique II : mécanique ondulatoire (60 heures ; S5 ou S6)
• Thermodynamique III : thermodynamique statistique (60 heures ; S5 ou S6)
• Mécanique III : physique des milieux continus (45 heures ; S5 ou S6)
• Physique de la matière (30 heures ; S5 ou S6)
• Physique subatomique (30 heures ; S5 ou S6)
• Optique ondulatoire et cristallographie (60 heures ; S5 ou S6) Matières essentielles pour la formation d’un physicien (690 heures)
• Méthodes mathématiques (330 heures)
• Chimie (180 heures)
• Electronique et traitement de l’information (90 heures)
• Physique numérique (90 heures)
Ouverture vers d’autres domaines scientifiques
• Sciences de la Vie (15 heures)
• Sciences de la Terre et de l’Univers (15 heures)
Unités de physique Matières essentielles à la formation d’un physicien L1 Mécanique I
Forces, champs, énergies (60 heures)
Optique I Optique géométrique
(60 heures)
Thermodynamique I Fondamentaux
(45 heures)
Mathématiques I Chimie I
Géométrie, espace vectoriel, fonctions
d’une variable réelle (120 heures)
Structure des molécules (30 heures) Chimie organique
(30 heures) L2 Mécanique II
Statique et dynamique du
solide et des fluides (60 heures)
Optique II Electromagnétisme
(90 heures)
Thermodynamique II Applications
(45 heures)
Physique quantique I Mécanique quantique (60 heures)
Mathématiques II Fonctions et calcul
différentiel, suites et séries, algèbre
linéaire (120 heures)
Chimie II Etude thermodynamique
et cinétique des transformations
chimiques (60 heures) Chimie inorganique (60 heures)
Electronique et traitement de l’information I
Fonctions de l’électronique
analogique (45 heures)
Physique numérique I Initiation à un langage formel
(45 heures)
L3 Mécanique III Physique des milieux continus
(45 heures)
Optique III Optique ondulatoire
et cristallographie (60 heures)
Thermodynamique III Thermodynamique
statistique (60 heures)
Physique quantique II
Mécanique ondulatoire (60 heures)
Relativité (30 heures) Physique subatomique
(30 heures) Physique de la matière (30 heures)
Mathématiques III Fonctions,
équations différentielles, analyse hilbertienne
(90 heures)
Electronique et traitement de l’information II Traitement du signal
et des données systèmes asservis
(45 heures)
Physique numérique II
Méthodes numériques (45 heures)
Mécanique (165 heures)
La mécanique, l'hydrodynamique et la physique des ondes ne sont pas toujours perçues comme apparentées par les étudiants. À leur décharge, les programmes invitent peu à remarquer la filiation. La proposition suivante aspire à le faire, en utilisant notamment les oscillateurs comme fil rouge. Une première approche géométrique et qualitative - car ne faisant pas appel aux équations différentielles - de la mécanique est proposée. Elle repose sur des notions réputées difficiles, comme l'espace de phase, mais qui peuvent très facilement s'enseigner dès la première année de licence et qui présentent l'avantage d'être facilement reliées aux approches historiques, notamment celle de Newton. La physique des fluides, et plus généralement celle des milieux continus, imprègne notre quotidien et se prête à des illustrations expérimentales simples et souvent spectaculaires. Le canevas que nous proposons entend être une réponse à ce constat.
Mécanique I : forces, champs, énergies (60 heures : S1 ou S2)
• Approche qualitative de la mécanique : aspects historiques ; approche géométrique ; analyse dimensionnelle.
• Approche géométrique de la dynamique : notions de système dynamique et d'espace de phase ; forces discrètes ; construction d'Euler ; construction de Hooke-Newton.
• Cinématique du point : éléments de calcul vectoriel ; position, vitesse, accélération, trajectoire ; systèmes de coordonnées.
• Lois de Newton et référentiels : interactions fondamentales ; lois de newton ; référentiels galiléens ; référentiels non galiléens, exemples de forces d'inertie.
• Lois de conservation
o Energie mécanique : théorème de l'énergie cinétique ; forces conservatives ; diagramme d'énergie potentielle.
o Quantité de mouvement : quantité de mouvement d'une (d'un ensemble de) particule(s) ; définition du centre de masse ; force subie lors d'un choc ; pression d'un gaz parfait ; système à deux corps.
o Moment cinétique (ou angulaire), force centrale : définition du moment cinétique ; rotation d'un solide autour de son axe de symétrie ; force centrale, loi des aires ; mouvement des planètes.
• Oscillateurs : oscillateur linéaire libre, amorti, forcé ; oscillateur non linéaire libre, amorti, forcé ; espace de phase d'un oscillateur.
• Bifurcation : bifurcation par perte d'équilibre ; bifurcation par perte de symétrie ; hystérésis et bi- stabilité.
Mécanique II : statique et dynamique du solide et des fluides (60 heures : S3 ou S4)
• Cinématique du solide : cinématique d'un ensemble de points ; translation, rotation ; repère barycentrique ; composition des vitesses et des accélérations ; applications.
• Dynamique du solide : système de forces : résultante et moment résultant ; théorèmes généraux : quantité de mouvement et moment cinétique ; aspects énergétiques : énergie mécanique, théorème de l'énergie cinétique, énergie potentielle.
• Contact entre solide : frottement de glissement, loi de Coulomb ; frottement de roulement et de pivotement.
• Statique et dynamique des fluides : pression dans un fluide au repos, loi d'Archimède ; tension superficielle ; vitesse dans un fluide ; notion de viscosité ; loi de Bernoulli ; écoulements laminaires, turbulents, nombre de Reynolds.
• Physique des ondes : oscillateurs harmoniques couplés ; équation des ondes ; ondes le long d'une corde ; ondes progressives, stationnaires ; résonance.
Mécanique III : physique des milieux continus (45 heures : S5 ou S6)
• Mécanique des milieux continus : déformations ; contraintes ; élasticité ; viscosité ; grande déformation, plasticité, rupture.
• Dynamique des fluides. fluides parfaits : écoulements potentiels ; fluides visqueux : vorticité.
• Ondes dans les milieux continus : ondes sonores dans les fluides ; ondes dans un solide ; ondes à la surface d'un liquide.
Optique et électromagnétisme (240 heures)
Les instruments d’optique et les phénomènes optiques sont à la fois des outils d’investigation scientifique communs à de nombreuses disciplines et des objets de la vie quotidienne : la compréhension et la maîtrise de leurs caractéristiques et de leurs limitations se justifient à la fois par leur importance pratique et leur poids culturel. L’optique est aussi un domaine qui permet de visualiser des concepts généraux de la physique : la notion de chemin optique et le principe de Fermat sont une bonne introduction au principe de moindre action, les phénomènes d’interférences et de diffraction sont presque toujours introduits d’abord en optique ondulatoire avant d’être généralisés à d’autres ondes.
L’optique géométrique peut aisément s’enseigner dès la première année, car le bagage mathématique qu’elle nécessite est très réduit ; elle présente aussi l’avantage d’une grande richesse expérimentale, facilement exploitable dans des démarches de projet ; en outre, l’accompagnement du travail personnel des étudiants sous forme d’exercices d’entraînement et d’auto évaluation, particulièrement important au début des études universitaires, bénéficie d’une multitude d’animations multimédia très bien faites et aisément disponibles sur la “ Toile ”.
L’optique ondulatoire et l’électromagnétisme constituent des volets plus théoriques, même si la première doit évidemment donner lieu à une pratique expérimentale importante. Il est préférable de les réserver aux 2ème et 3ème années de Licence, pour que les difficultés mathématiques (calcul et opérateurs vectoriels en particulier) ne constituent pas des obstacles à la perception de la richesse des phénomènes physiques.
Optique géométrique (60 heures ; S1 ou S2)
• De la notion de chemin optique à l’étude d’un instrument d’optique : principe de Fermat, lois de Descartes, lentilles, dioptres, instruments d’optique, aberrations géométriques, …
• Projet expérimental permettant d’introduire des notions d’optique ondulatoire qui seront développées en L2 ou L3.
Electromagnétisme (90 heures ; S3 ou S4)
• Electrostatique : loi de Coulomb, théorème de Gauss, potentiel scalaire, dipôle électrique, théorème de Coulomb, notion de capacité, énergie potentielle électrostatique, travail des forces électrostatiques, notion de diélectrique.
• Electrocinétique : densité de courant, intensité. Loi d’Ohm.
• Magnétostatique : force de Lorentz, relations de Biot-Savart, conservation du flux, théorème d'Ampère, notion de dipôle magnétique, force de Laplace, théorème de Maxwell, énergie potentielle magnétique, travail des forces magnétiques, notions de para, dia et ferromagnétisme.
• Induction magnétique : loi de Faraday, loi de Lenz, auto-induction, induction mutuelle, moteur
• Electromagnétisme : Relations de Maxwell et ondes électromagnétiques dans le vide.
Optique ondulatoire et cristallographie (60 heures ; S5 ou S6)
• Photométrie, interférences, cohérence, diffraction, diffusion, polarisation, spectroscopie.
• Groupes de symétrie d’orientation et symétrie des cristaux, cristaux imparfaits, les rayons X, méthodes expérimentales de diffraction X.
Propriétés électriques et magnétiques de la matière (30 heures ; S5 ou S6)
• Equations de Maxwell et électromagnétisme des milieux diélectriques et aimantés.
Thermodynamique (120 heures)
Le cours de thermodynamique est un “ classique ” du programme d'une licence de physique : il est difficile d'y être très original. Les sujets récents, la thermodynamique des condensats atomiques gazeux par exemple, même s’ils peuvent être évoqués en licence, sont à réserver au programme d'un master. Une certaine fraîcheur peut cependant être trouvée en puisant dans la physique des liquides au sens large (incluant matière molle ou mal condensée) les problèmes traités en exercice.
La proposition suivante procède d'une démarche physique en favorisant l'approche statistique - la seule qui permet de développer une intuition des phénomènes. L'entropie y joue également un rôle privilégié.
Thermodynamique I : fondamentaux (45 heures : S2)
• Equilibre thermodynamique : descriptions microscopique et macroscopique ; travail, chaleur, énergie interne ; principe de conservation de l’énergie ; définition de l'équilibre thermique.
• Modes de transferts thermiques : conduction, convection, rayonnement thermique
• Principe du maximum d'entropie : contraintes internes ; principe du maximum d'entropie ; variables thermodynamiques : température, pression, potentiel chimique, … ; transformations quasistatiques et réversibles ; travail maximum et machines thermiques.
• Eléments de théorie cinétique et phénomènes irréversibles : section efficace, temps de vol, libre parcours moyen ; température, pression ; exemples de lois physiques irréversibles ; approximation du libre parcours moyen, conductibilité thermique, coefficient de diffusion.
• Fonctions thermodynamiques : choix des variables thermodynamiques ; potentiels thermodynamiques ; capacités calorifiques ; relation de Gibbs-Duhem.
• Potentiel chimique : relations fondamentales ; coexistence de phases ; conditions d'équilibre à pression constante ; équilibre et stabilité à potentiel chimique fixé ; réactions chimiques.
Thermodynamique II : applications (45 heures : S3 ou S4)
• Machines thermiques : machines thermiques idéales ; machines thermiques réelles ; liquéfaction des gaz ; techniques d'obtention des basses températures.
• Thermodynamique chimique : travail maximum à température et volume fixés ; travail maximum à température et pression fixées ; transitions de phase d'une substance pure ; transitions de phase d'un mélange ; solutions diluées ; équilibre chimique.
• Thermodynamique des matériaux magnétiques : approche macroscopique ; modèle microscopique et solution analytique.
• Statistique de Boltzmann : facteur de Boltzmann ; valeurs moyennes ; théorème d'équipartition ; distribution de Maxwell des vitesses ; fonction de partition et énergie libre ; fonction de partition d'un système composé ; fonction de partition et thermodynamique du gaz parfait.
Thermodynamique III : thermodynamique statistique (60 heures : S6)
• Approche élémentaire des phénomènes de transport : exemples d'équations de transport phénoménologiques ; mouvement Brownien, marche aléatoire ; diffusion de particules ; diffusion de la chaleur ; viscosité.
• Entropie statistique et distribution de Boltzmann : description quantique ; description classique ; entropie statistique ; distribution de Boltzmann ; la thermodynamique retrouvée ; irréversibilité et croissance de l'entropie.
• Systèmes non isolés, fermés et ouverts (ensembles “ canonique ” et “ grand canonique ”) : applications simples de l'ensemble canonique ; mécanique statistique classique ; oscillateur et rotateur quantiques ; du gaz parfait au liquide ; ensemble grand canonique.
• Ouverture aux statistiques quantiques : distributions de Bose-Einstein et de Fermi-Dirac ; gaz parfait de Fermi à température nulle ; le rayonnement du corps noir.
• Approches numériques : chaîne de Markov, convergence ; principe du “ bilan détaillé ” ; modèle d'Ising ; Monte Carlo classique.
Physique quantique (120 heures)
Depuis quelques années, de remarquables expériences autorisent un regard totalement renouvelé sur les concepts et principes fondateurs de la physique quantique. La pédagogie n'a pas encore digéré ce que d'aucuns considèrent comme une “ nouvelle révolution quantique ”, et la mécanique ondulatoire, avec son performant arsenal opératoire, reste donc préférée à la mécanique quantique. S'il est important de savoir développer une fonction d'onde en harmoniques sphériques, comprendre profondément ce que représente une amplitude de probabilités l'est encore plus. Des phénomènes comme la non-séparabilité, le non-clonage, l'intrication, etc. n'invoquent qu'un formalisme léger d'algèbre linéaire et possèdent, grâce aux expériences récentes, un formidable pouvoir de séduction auprès des étudiants. Nous proposons donc un premier semestre quasi exclusivement consacré à la mécanique quantique en dimension finie, qui offre un large éventail d'applications physiques simples. Une fois “ l'intuition quantique ” acquise, le deuxième module se consacrera à la mécanique ondulatoire.
Physique Quantique I : Mécanique Quantique (60 heures : S3 ou S4)
• L'émergence des concepts quantiques : le rayonnement du corps noir et la loi de Planck ; l'effet photoélectrique et les photons ; les spectres atomiques et le modèle de Bohr ; le laser.
• Le domaine quantique : les expériences de diffraction et d'interférences (lumière, électrons, neutrons, atomes froids,...) ; relation de De Broglie ; l'action caractéristique ħ ; les inégalités de Heisenberg.
• Amplitudes de probabilités et formalisme de Dirac : l'exemple de la polarisation de la lumière ; formalisme de Dirac (limité aux systèmes 2D) ; règles de calcul sur les amplitudes de probabilités ; une application en astrophysique : l'expérience Hanbury-Brown et Twiss.
• Le spin 1/2 : l'expérience de Stern-Gerlach ; application du formalisme de Dirac au spin 1/2 ; cryptographie quantique.
• Evolution temporelle : équation d'évolution ; opérateur d'évolution ; états stationnaires ; inégalité de Heisenberg temporelle ; point de vue de Schrödinger et de Heisenberg.
• De la mécanique quantique à la mécanique ondulatoire : espaces de Hilbert fini et infini ; opérateurs linéaires ; décomposition spectrale ; produit tensoriel, vecteurs d'états et grandeurs physiques, ...
• Etats intriqués : système de deux spins 1/2 ; inégalités de Bell ; interférences et états intriqués ; information quantique.
Physique Quantique II : Mécanique Ondulatoire (60 heures : S5 ou S6)
• Mécanique ondulatoire : diagonalisation de X et P ; fonctions d'ondes ; équations de Schrödinger ; potentiels simples ; potentiel périodique ; généralisation à 3 dimensions.
• L'opérateur moment angulaire : diagonalisation de J2 et Jz ; moment orbital ; distributions angulaires des désintégrations ; composition des moments angulaires ; potentiels centraux.
• Symétries, relations de commutation, lois de conservation.
• L'oscillateur harmonique : l'oscillateur harmonique simple ; états cohérents ; introduction aux champs quantifiés ; mouvement dans un champ magnétique constant.
• Particules identiques : bosons et fermions ; diffusion de particules identiques ; états collectifs.
Physique subatomique (30 heures ; S5 ou S6)
L’objectif de cet enseignement est double :
- Il s'agit d'abord de donner à l'étudiant une vue de la connaissance fondamentale que l'on a aujourd'hui de l'infiniment petit. Cette connaissance fait partie de la culture de base de tout scientifique du 21ème siècle. Les lois de l'infiniment petit ont par ailleurs des conséquences fondamentales sur l'infiniment grand, sur l’évolution de l'univers et la cosmologie. Ce lien entre infiniment grand et infiniment petit peut être établi dans cet enseignement.
- Le second volet de ce module est plus pratique. Dans un pays où 75% de l'électricité est d'origine nucléaire, il est essentiel que tout scientifique connaisse les mécanismes sous-jacents, leurs atouts et leurs inconvénients objectifs. Par ailleurs, les rayonnements ont des applications majeures au niveau des techniques d'analyse (environnementale ou industrielle) et dans le domaine médical (imagerie, radiothérapie). Il s'agit ici de présenter les fondements permettant de comprendre ces applications.
Cet enseignement peut rester descriptif et peu théorique. Il est important que les étudiants y découvrent des ordres de grandeur par exemple dans le domaine de l'énergie ou des limites accessibles pour les diverses méthodes d'analyse.
Introduction historique
Découvertes de la radioactivité, du neutron, du neutrino, des quarks.
Le monde élémentaire : des quarks aux noyaux et à l'univers Quarks et leptons
Hadrons, mésons et baryons
Les interactions fondamentales et les particules d'échange associées Les noyaux
Des particules aux étoiles : nucléosynthèse et cosmologie
Processus nucléaires
Phénoménologie du noyau
Formule de masse et modèle de la goutte liquide.
Radioactivités
Réactions nucléaires : section efficace, cinématique des réactions, réactions dominantes à basse énergie
Le cas particulier du soleil.
Applications
Interactions rayonnement matière
Conséquences sur la détection et la protection contre les rayonnements Analyse par activation
Fission et réacteurs à fission Fusion et réacteurs à fusion
Etudes comparatives dans les domaines de l'analyse et de la production d'énergie.
Relativité (30 heures ; S5 ou S6)
La relativité doit être dans le corps dur d’un enseignement de licence de physique tant pour ce qu’elle a apporté dans l’évolution des idées en physique que pour les enjeux culturels et fondamentaux qu’elle suscite toujours à travers les applications qu’elle permet de mettre en œuvre. Il s’agit de présenter la relativité restreinte, la relativité générale pouvant être traitée succinctement en fin de cours et plus complètement en master. On peut expliquer la relativité en évitant le formalisme tensoriel (il n’est pas indispensable pour expliquer les phénomènes et prend beaucoup de temps pour être mis en place) pour s’attacher davantage à montrer :
o l’importance de la relativité dans l’histoire de la physique o le lien théorie – expérience
o les applications, par exemple en astrophysique et physique des particules
La relativité peut être enseignée sous forme de travaux pratiques si on dispose de photos de trajectoires de particules chargées en mouvement dans une chambre à bulles.
Introduction historique
Transformation de Galilée – hypothèse de l’éther – expérience de Michelson et Morley Principe de relativité d’Einstein
Conséquences : relativité du temps et de l’espace
Postulats d’Einstein sur la vitesse de la lumière dans le vide Transformation spéciale de Lorentz
Relativité du temps (simultanéité ; temps propre et impropre ; dilatation des durées) Relativité des longueurs (contraction ; longueur propre et impropre)
Applications : durée de vie apparente des muons ; paradoxe des jumeaux ; paradoxe de la barre et de l’ouverture ; effet Doppler – Fizeau ; aberration des étoiles ; GPS
Espace-temps
Structure métrique et espace de Minkowski ; quadrivecteurs Relativité et causalité : cône de lumière ; passé, futur, ailleurs
Dynamique relativiste
Quadrivecteur énergie – quantité de mouvement : énergie d’une particule au repos ; relation énergie – quantité de mouvement ; application aux particules de masse nulle
Equivalence masse-énergie Force
Illustration en physique des particules élémentaires
Accélérateurs de particules : linéaire, cyclotron, synchrotron Collisions élastique et inélastique ; lois de conservation
Ouvertures (30 heures ; S6)
Cette page est en italique pour bien indiquer que dans ce cours d’ouverture vers une physique accessible en S6 à partir des connaissances acquises, les sensibilités locales doivent s’exprimer.
L’objectif est de donner aux étudiants un panorama de la physique, en décrivant comment ses moyens d’investigation (“ Voir ”) donnent accès à une appréhension des phénomènes naturels à toutes les échelles spatiales (“ Structures ”) et temporelles (“ Evolutions ”). La prise en compte de la coexistence de distances et de temps caractéristiques très différents permet en effet de simplifier la description des systèmes physiques.
Ce cours se veut avant tout descriptif et donc peu “ technique ”. Il peut emprunter ses illustrations à de nombreux autres cours (physique statistique, mécanique quantique, électromagnétisme…) au niveau de l’analyse tant théorique qu’expérimentale des propriétés de la nature.
Voir
Il s’agit de présenter divers instruments de visualisation des structures à différentes échelles, de longueur (microscope versus photo) ou de temps (instantané versus camera rapide). Compte tenu de la variété des situations, il existe un grand choix de présentations possibles. On ne vise pas l’exhaustivité.
• Structures à grande échelle : télescopes, radiotélescopes, expériences récentes concernant le fonds cosmologique.
• A notre échelle : quelques éléments concernant la couleur des objets. Substances transparentes, opaques, reflet métallique, diffusion de la lumière dans les différents régimes du rapport taille d’objet/longueur d’onde.
• A l’échelle biologique : imagerie par résonance magnétique, échographie.
• A l’échelle atomique : microscope à force atomique, à effet tunnel, à effet de champ.
• A l’échelle nucléaire et subnucléaire : collisions de particules.
• La simulation numérique comme investigation de systèmes simplifiés.
Structures
• Intensités et portées caractéristiques des quatre interactions et leurs champs d’application.
• Situations où l’une d’entre elles joue un rôle prépondérant : gravitation (système solaire, marées, mort des étoiles), interaction forte (noyaux, fusion dans les étoiles), interaction électromagnétique (liaison chimique, atomes, molécules), interaction faible (radioactivité β).
• Phases (liquide/solide/gaz). On discute ici les transitions de phase en lien direct avec le cours de thermodynamique. Descriptions microscopique et macroscopique.
• Solides, isolants, conducteurs
• Structures complexes : cristaux liquides, polymères, matériaux biologiques vus du point de vue de la physique (micromécanique de l’ADN, muscles et tendons, résistance des os).
Evolutions
• Temps caractéristiques. Variables rapides et variables lentes, découplage, équilibre local. Les verres.
• Evolutions déterministes et processus markoviens. Exemple de la réaction chimique, du point de vue des processus aléatoires microscopiques et des lois de la cinétique chimique (la même démarche peut être suivie pour la radioactivité). Le conflit Kelvin-Darwin sur l’âge de la Terre.
• Fluctuations et transport : le mouvement brownien. Importance en biologie. Aperçu sur les mathématiques financières.
• Réversibilité/irréversibilité. Résolution du paradoxe de Zermelo : comment concevoir une dynamique macroscopique irréversible à partir d’une dynamique microscopique réversible ?
• L’évolution à grande échelle. Brève histoire de la matière depuis le Big Bang.
Matières indispensables pour la formation
d’un physicien
Méthodes Mathématiques
Il ne s’agit pas ici de proposer un découpage aussi détaillé que pour la physique, mais d’indiquer, pour chaque niveau, les concepts de mathématiques particulièrement pertinents pour la physique. Certaines notions peuvent être introduites dans le cours de physique avant d’être traitées en tant que telles dans le cours de mathématique (par exemple le gradient). Dans d’autres cas, il est préférable que le cours de mathématique prenne de l’avance (par exemple l’algèbre linéaire).
Envisager les cours de mathématiques comme la constitution d’une “ boîte à outil ” est possible, mais ce n’est pas la seule solution, et probablement pas la meilleure. Il est plus riche, pour les deux disciplines, de mettre en regard les concepts et modèles physiques que l’on élabore et les concepts et modèles mathématiques qui y correspondent. Le modèle physique peut souvent s’exprimer dans la langue naturelle, car il s’agit de dégager les variables pertinentes, d’envisager des tendances, des comportements, des mécanismes qualitatifs. Mais la validation des modèles physiques nécessite toujours l’analyse des modèles mathématiques correspondants, dont les résultats doivent s’accorder aux observations empiriques. Outre cette fonction de validation, les modèles mathématiques permettent de prévoir des comportements inconnus, voire des phénomènes nouveaux : ils contiennent en puissance plus que ce qui a été nécessaire pour les écrire.
Le polymorphisme des concepts mathématiques, le fait (étonnant) qu’ils puissent être utilisés dans des contextes à priori très différents, constitue ensuite le fondement de leur étude hors contexte.
L1 (120 heures)
Nombres, géométrie et probabilité
• N, Z, Q, R, C. Décomposition en nombres premiers, congruence, exponentielle complexe.
• Suites.
• Géométrie du plan et de l’espace, produit scalaire et vectoriel, systèmes de coordonnées, équations de droites, de plans, intersection de plans.
• Loi de probabilité. Variable aléatoire discrète. Dénombrement.
Espace vectoriels
• Dimension et base
• Systèmes d’équations linéaires et résolution (méthode du pivot).
• Applications linéaires, matrices, déterminants.
• Vecteurs propres et valeurs propres.
Fonctions d’une variable réelle
• Limite, dérivée, différentielle, développements limités (sans démonstrations détaillées).
• Continuité, théorème de Rolle et accroissements finis.
• Fonctions usuelles.
• Suites.
• Intégrale de Riemann, intégration par parties et par changement de variable.
• Equations différentielles, 1er et 2nd ordre à coefficients constants, portrait de phase (introduction).
• Variable aléatoire à densité continue.
L2 (120 heures)
Fonctions et calcul différentiel
• Fonctions de plusieurs variables, dérivées partielles, courbes de niveau.
• Analyse vectorielle (gradient et rotationnel), plan tangent à une surface.
• Calcul différentiel dans Rn, dérivées partielles de fonctions composées.
• Intégrales multiples, sommes de Riemann, théorème de Fubini.
Suites et séries
• Suites et séries de fonctions.
• Démonstrations de base concernant les limites de suites et de fonctions.
• Séries entières, critères de convergence, rayon de convergence.
• Séries de Fourier.
• Loi des grands nombres.
Algèbre linéaire
• Déterminants (applications multilinéaires alternées), déterminant d’un système de n vecteurs, d’une matrice carrée. Méthodes de calcul. Polynôme caractéristique.
• Application aux systèmes différentiels linéaires
• Espaces Euclidiens, produit scalaire, orthogonalité.
L3 (90 heures)
Fonctions
• Fonctions d’une variable complexe.
• Fonctions holomorphes.
• Formule des résidus, application au calcul d’intégrales.
• Vecteurs aléatoires gaussiens, indépendance, moments d’une variable aléatoire.
Equations différentielles
• Théorie qualitative, portraits de phase, points d’équilibre, stabilité
• Séparation des variables
• Fonctions spéciales (Bessel, Hermite, Laguerre, Legendre, au choix)
• Utilisation de la transformée de Laplace, fonctions génératrices.
Analyse hilbertienne
• Espaces de Hilbert, bases orthonormales. Bessel, Parseval. Polynômes orthogonaux.
• Théorie L2 des séries de Fourier.
• Fonction caractéristique.
Chimie
Le programme de chimie proposé en complément de celui de physique vise à apporter au physicien qui s’intéresse aux propriétés de la matière, les notions fondamentales sur la constitution, l’élaboration et la réactivité de cette matière. Il a été construit en cohérence avec le contenu et le déroulement du programme de physique sur les trois années de licence. Sur cette base sont proposés des modules présentant la façon dont les atomes s’assemblent pour donner des molécules ou des solides – ceci est abordé simplement en S1 puis de façon plus approfondie en deuxième année –. Les fonctions réactives des molécules organiques sont introduites ainsi que leurs propriétés qui conduisent aux divers matériaux polymères servant de support à de nouvelles avancées technologiques. Le module de thermodynamique et de cinétique introduit les grandeurs qui vont permettre d’évaluer la stabilité et la réactivité chimique de la matière. Enfin le module de chimie inorganique permet de présenter la structure des matériaux solides ainsi que les molécules qui nous entourent et qui jouent un rôle essentiel dans notre environnement que ce soit à l’état gazeux ou en solution.
Structure des molécules : introduction et modèles (30 heures ; S1)
Cette partie prolonge celle du programme de physique sur la structure des particules fondamentales de la matière ; elle l’étend à une description simple des molécules, en insistant sur leur structure électronique et leur géométrie.
Modèles de la liaison chimique
• Modes d'écriture et nomenclature des formules chimiques
• Modèle de Lewis de la liaison chimique et le modèle de Gillespie de la géométrie moléculaire(VSEPR)
• Modèle orbitalaire de la liaison de covalence. Molécules diatomiques homo- ou hétéro-nucléaires
• Polarisation des liaisons ; moment dipolaire Structure, stéréochimie des molécules
• Représentations graphiques des molécules et stéréochimie
• Conformations : petites molécules et cycles
• Chiralité
Chimie organique (30 heures ; S2)
La chimie organique est un large domaine de la chimie, incluant les combustibles, les polymères, les médicaments et beaucoup d’autres applications essentielles à notre quotidien. Cette partie a pour objectif de présenter les petites molécules servant à élaborer des produits chimiques complexes ainsi que les principaux mécanismes réactionnels mis en œuvre.
Réactivité des molécules organiques
• Effets électroniques, notion de sites réactifs
• Types de réactifs : acide/base, réducteur/oxydant, nucléophile/électrophile
• Types de coupures de liaison : homolytique, hétérolytique
• Présentation des grands types de réactions : o Substitution, élimination, addition.
o Caractéristiques : bilan, rendement, sélectivité, contrôle Présentation des groupes fonctionnels
• Hydrocarbures, et leur squelette carboné : alcanes, alcènes, alcynes et composés aromatiques.
• Fonctions réactives sur les squelettes :
o Dérivés halogénés, alcools, amines, composés organométalliques.
o Carbonyles : additions nucléophiles o Acides et dérivés d'acide.
Etude thermodynamique et cinétique des transformations chimiques (60 heures ; S3)
L’application des principes de la thermodynamique à l’étude de la réaction chimique conduit aux potentiels thermodynamiques qui permettent de prévoir le sens d’évolution des systèmes chimiques et de caractériser leur état d’équilibre. La cinétique chimique étudie la vitesse des réactions chimiques et les facteurs qui l’influencent.
Description thermodynamique des systèmes chimiques et de leur transformation
Description de l’état d’équilibre (thermique, mécanique et chimique) d’un système chimique à l’échelle macroscopique. Etats de référence
Potentiel chimique. Activité d’un constituant dans un mélange homogène (gazeux ou liquide).
Changements d’état des mélanges homogènes : applications aux méthodes d’extraction en chimie (distillation, cristallisation)
Principales caractéristiques d’une réaction chimique : équation stœchiométrique, avancement de réaction, grandeurs de réaction. Prévision du sens de l’évolution d’un système chimique : affinité chimique
Loi régissant les équilibres chimiques : Constante thermodynamique d’équilibre
Influence des paramètres physiques (T, p) et de la composition chimique sur l’évolution de l’état d’équilibre. Application aux différentes transformations chimiques : Equilibres acido-basiques, constantes d’acidité ; Equilibres d’oxydo-réduction, piles, potentiel redox, relation de Nernst ; Produit de solubilité. Constantes de dissociation des complexes
Etude cinétique de la transformation chimique
Mise en forme des résultats expérimentaux ; loi de vitesse, ordre de réaction. Intégration des lois de vitesse pour les réactions présentant un ordre de réaction. Activation des réactions. Réactions simples, réactions complexes, actes élémentaires. Mécanismes réactionnels. Théories des réactions élémentaires.
Electrochimie
Etude thermodynamique et cinétique des réactions électrochimiques ; applications à la mesure du potentiel (f.e.m.) d'une cellule galvanique. Les courbes intensité-potentiel. Générateurs
électrochimiques. Electrolyse : théorie et applications
Chimie inorganique (60 heures ; S4)
Après une description de la structure électronique des molécules en relation avec les spectroscopies, on abordera l’étude des caractéristiques des principales familles d’éléments du tableau périodique. On ne présentera pas une description exhaustive des propriétés. Pour chaque famille, on se contentera d’illustrer au mieux les concepts de réactivité et de thermochimie en explicitant une ou deux propriétés caractéristiques.
Des exemples de composés solides (moléculaires ou ioniques) et de matériaux seront décrits.
Modèle quantique de la liaison de covalence
Molécules diatomiques homo- ou hétéro-nucléaires. Termes spectroscopiques Molécules polyatomiques : Hybridation des orbitales d’un atome
Notions de spectroscopie : UV-visible, IR et Raman, RMN du proton.
Chimie à travers le tableau périodique
Abondance des éléments chimiques : relation entre structure atomique et propriétés des corps purs simples ; tableau périodique et évolution de quelques propriétés
Hydrogène et composés
Les éléments du bloc p : C et Si, N et P, O et S, F et halogènes Hélium et gaz nobles
Concepts généraux de réactivité : Acidité (Brønstedt, Lewis, Lowry…), Oxydo-réduction Structure des matériaux solides
Notions générales
o Etat amorphe/cristallisé, poly/mono-cristaux, cristal parfait/réel (défauts, joints de grain, surface…), matériaux composites.
Les métaux
o Caractère métallique, les alcalins et alcalino-terreux
o Liaison métallique : modèle de bandes. Application à la conductivité des métaux et des semi-conducteurs
o Alliages
Les édifices moléculaires Les édifices ioniques
o Géométrie
o Modèle de la liaison ionique o Energie réticulaire
Electronique et traitement de l'information
C'est un domaine en constante évolution qui met en œuvre aussi bien les connaissances de base en électricité, électromagnétisme ou mécanique quantique qu'en physique de la matière condensée ou encore en physique statistique.
Les enseignements précisés ci-dessous supposent l'assimilation des bases de l'électrostatique, de l'électrocinétique et de l'électromagnétisme. Des connaissances de base sont également nécessaires en probabilités et statistiques.
La philosophie générale de cet enseignement n'est pas de former des spécialistes en électronique, traitement du signal et systèmes asservis mais des étudiants ayant les connaissances suffisantes pour dialoguer avec des spécialistes du domaine. Les étudiants devront pouvoir mettre en œuvre des systèmes électroniques ou des méthodes de traitement du signal et des images avec compétences en gardant un esprit critique. C'est pourquoi l'accent doit être mis plutôt sur les principes et les fonctions que sur le fonctionnement des dispositifs élémentaires.
L'utilisation des amplificateurs opérationnels pour présenter les fonctions de l'électronique est une bonne approche. Pour la puissance, quelques idées sur les transistors discrets pourraient être utiles. Enfin il est toujours indispensable de partir d'exemples concrets pour motiver les étudiants.
Les fonctions de l'électronique analogique (45 heures : S3 ou S4)
• Filtrage, amplification (courant, tension, et puissance) et plus généralement la notion de fonction de transfert
• Modulation/démodulation, les oscillateurs
• Les notions de rapport signal sur bruit
Traitement du signal et des données et Systèmes asservis (45 heures : S5 ou S6)
• Différentes classes de signaux, les signaux d'énergie finie, les systèmes
• Les transformées de Fourier à temps continu et à temps discret, l'échantillonnage, les transformées en Z et de Laplace
• Notions de système asservi linéaire continu, stabilité et robustesse, précision, correcteurs
Physique numérique
La modélisation en sciences, en particulier en physique, est l’aboutissement de la compréhension d’un phénomène par sa mise en équation. C’est une activité qui a pris de l’essor depuis quelques années avec les progrès de l’informatique, l’outil numérique s’avérant fort utile pour accéder aux solutions du modèle dès lors que le calcul formel ne suffit plus.
Il est important qu’un licencié en physique soit capable d'appréhender de façon autonome cette démarche de modélisation (mise en équation d’un problème de physique, recherche de ses solutions analytiques et leur exploitation numérique).
La pédagogie de projet est à ce titre un excellent moyen d’atteindre cet objectif qui nécessite aussi l’apprentissage des principes de la programmation et d’un ou plusieurs langages, l’utilisation d’algorithmes scientifiques.
Initiation à un langage formel (45 heures ; S3 ou S4) Bases de programmation en Maple par exemple Algorithmes scientifiques (numériques, algébriques) Utilisation de solveurs
Application sous forme de projet à un thème inspiré de la physique
Méthodes numériques (45 heures ; S5 ou S6)
Apprentissage des bases d’un langage de programmation (par exemple : C++, Fortran)
Algorithmes scientifiques : équations aux dérivées partielles, diagonalisation, systèmes d’équations complexes, linéarisation …
Projet de physique à l’aide de simulation numérique.
Ouverture vers d’autres domaines scientifiques.
Les mathématiques, la chimie, et pour partie l’informatique font partie de “ la boite à outil ” du physicien à Bac+3. Il n’en est pas de même de disciplines à la frontière de la physique comme les Sciences de la Vie et de la Terre. Il nous semble cependant qu’un enseignement “ découverte ” de ces deux disciplines peut constituer un élément indispensable de la culture de l’étudiant et même éventuellement constituer l’amorce d’un choix de carrière futur.
Il ne s’agit pas ici de donner une culture de base, mais de faire découvrir un autre monde. Ceci explique que la durée de ces cours de découverte est relativement réduite, et donc implique un certain nombre de choix quant au contenu. Ce qui est indiqué ci-dessous n’est donc donné qu’à titre indicatif, le véritable contenu de tels cours devant dépendre essentiellement des forces et des motivations des enseignants chercheurs locaux.
Découverte “ Sciences de la Vie ”
A partir d’un sujet choisi en fonction des spécificités locales en terme de compétence scientifique, et en s’appuyant sur un problème concret, les fondamentaux (fonctionnement de la cellule, cycle cellulaire, codage de l’information, protéines et protéomes ) sont abordés. Une large part est également faite à la genèse des connaissances. Deux exemples sont proposés.
Exemple 1 : Le développement du système nerveux (15h).
Introduction : Description de l’expérience de Spemann de 1924 (greffe ectopique de lèvre blastoporale d’un embryon receveur à un embryon donneur et obtention d’un embryon à deux têtes) Permet de poser les problèmes.
Chapitre 1 : Description des premières étapes du développement embryonnaire jusqu’à la neurulation chez quelques espèces.
(fécondation et notion de brassage génétique, rappel sur la mitose en partant des premières étapes du cycle, polarité embryonnaire, mise en place des feuillets embryonnaires, gastrulation et organogenèse)
Chapitre 2 : Explication moléculaire de l’expérience de Spemann : De 1924 à 1994. Cette partie sera traitée exclusivement en partant d’expériences. On insistera sur la démarche et les interrogations qui se sont posées au fur et à mesure.
(notion de détermination cellulaire, mécanismes d’induction…..) :
Chapitre 3 : Génétique du développement. L’information étant portée sur la molécule d’ADN on essaiera de voir comment on comprend actuellement les mécanismes qui permettent d’inhiber ou d’activer l’activité de certains gènes. Notion de mémoire mitotique. Différenciation cellulaire….
Chapitre 4 : Cellules souches embryonnaires et cellules souches adultes : peut-on ou pourra t’on obtenir in vitro des cellules nerveuses fonctionnelles à visée thérapeutique ?
Chapitre 5 : Biologie du développement et cancer. Les cellules cancéreuses “ réexpriment ” des gènes du développement : discussion sur les mécanismes de la cancérisation.
Exemple 2 : La myopathie de Duchêne
Introduction : Description de la maladie et de ces différentes formes
Chapitre 1 : Description des mécanismes de transmission d’une maladie monogénétique : hérédité, fécondation et brassage génétique
Chapitre 2 : Fonctionnement de la cellule musculaire, différenciation musculaire, régénération du muscle.
Chapitre 3 : Expression du gène de la dystrophine. Rôle de la protéine. Urotrophine et Dystrophine.
La dystrophine dans le règne animal….
Chapitre 4 : Limites et espoirs de la thérapie génique et cellulaire.
Découverte “ Sciences de la Terre et de l’Univers ”
Physique de la Terre et des planètes (15 heures)
Depuis sa formation, il y a 4,5 milliards d’années, la Terre est une planète active. Les éruptions volcaniques, les tremblements de terre, la tectonique des plaques, le champ magnétique,… en sont les preuves. Les comprendre, les expliquer nécessite une approche pluridisciplinaire et les physiciens, tout comme les chimistes, les mathématiciens et, bien entendu, les géologues ont leur place dans la compréhension de ce gigantesque puzzle qu’est la Terre.
Tous les phénomènes précédemment cités trouvent leur origine dans un phénomène : le refroidissement de la Terre. Comprendre les mécanismes par lesquels la Terre se refroidit et perd sa chaleur au profit de l’espace qui l’entoure amène tout naturellement à s’intéresser à tous ces phénomènes géologiques et physiques que l’on observe à la surface, ou que l’on imagine en profondeur. Le physicien par ses méthodes, ses techniques, son approche a sa place dans l’étude de la Terre et de son évolution. C’est un partenaire idéal pour le géologue.
Faire comprendre la Terre à des étudiants, c’est donc les amener à comprendre ce qu’est la Terre, d’où vient-elle, par quels mécanismes s’est-elle formée, comment s’est-elle structurée et comment finalement le paramètre température est à l’origine de tout cela.
Un choc répété, un frottement de main, un entassement de plusieurs personnes dans une 2 CV peuvent tout simplement faire comprendre pourquoi la Terre était initialement chaude, et que se passe-t-il lorsque ce frottement s’arrête ou que les personnes quittent le véhicule. À partir de cela, le fil d’Ariane peut se dérouler et tout naturellement l’histoire de la Terre se dévoilera. Rapidement, les phénomènes que nous connaissons : tectonique des plaques, séisme, volcanisme, chaîne de montagne, champ magnétique, champ de gravité…..trouveront une explication ou du moins un sens pou l’étudiant physicien.
L’objectif est de montrer à partir des outils physiques que l’étudiant découvre et maîtrise, comment il peut les appliquer à l’étude de la Terre. La circulation d’un courant, l’effet Ohm, la gravité, les énergies cinétique et potentielle, la propagation d’une onde, sont autant de notions que de moyens pour découvrir ce qu’est la Terre. Malheureusement, l’étudiant physicien n’en a pas conscience. Lui présenter la Terre et l’amener à appliquer ces notions sur elle est peut-être un moyen de l’intéresser à la physique.
Chapitre 1 : Du Big-Bang à la Terre.
Chapitre 2 : La Terre dans son système Solaire.
Chapitre 3 : La chaleur de la Terre, le Volcan.
Chapitre 4 : La Terre et sa structure.
Chapitre 5 : Histoire d’une théorie : la tectonique des plaques Chapitre 6 : Océans et Montagnes, Pourquoi ?
Chapitre 7 : Le Champ Magnétique Terrestre : Un ami bien étrange.
Chapitre 8 : Les Tremblements de Terre : pourquoi et comment ?
