LDD2 Géosciences, Physique

Outils mathématiques : coordonnées cylindriques et sphériques, intégrales curvilignes, de surface et de volume, divergence et rotationnel, théorème de la divergence et théorème de Stokes.

Description : les objets fondamentaux de l’électromagnétisme sont les champs électrique et magnétiques (vus en Electromagnétisme 1) car ils déterminent les forces électriques et magnétiques subies par des porteurs de charge. En Electromagnétisme 1, seules des distributions discrètes de charge avaient été considérées. On généralise dans cette UE au cas de distributions continues de charge, puis on apprend à calculer le champ électrique via le théorème de Gauss (quand les symétries le permettent). Le champ magnétique est généré par les courants électriques notamment ; on apprend à le calculer via la loi de Biot-Savart et le theorème.

Plan :

• Distributions continues de charges électriques
• Théorème de Gauss
• Conduction électrique, conducteurs à l’équilibre
• Densités de courant
• Loi de Biot et Savart
• Théorème d’Ampère
• Equations locales de l’électrostatique et de la magnétostatique

Bibliographie: E. Purcell, Electricité et magnétisme - Cours de Physique de Berkeley, volume 2 (version française), Armand Colin, Paris, 1973 R. Feynman, R. Leighton et M. Sands, Cours de Physique - Electromagnétisme (version française), InterEditions, Paris, 1979 H. Gié et J.P. Sarmant., Electromagnétisme, Tec et Doc, Paris, 1985 J.P. Faroux et J. Renault, Electromagnétisme 1 - Cours et exercices corrigés, Dunod, Paris, 1996 J.P. Faroux et J. Renault, Electromagnétisme 2 - Cours et exercices corrigés, Dunod, Paris, 1998 J.P. Perez, R. Carles et R. Fleckinger, Electromagnétisme, 3 ème édition, Masson, 1997 D. Halliday, R. Resnick et J. Walker, Physique, 6 ème édition, McGraw-Hill, Montréal, 2003 J.D. Jackson, Electrodynamique classique (version française), 3 ème édition, Dunod, Paris, 2001

Modalités:

• 44h, CM: 22h, TD: 22h
• 4 ECTS
• contrôles continus (2 interrogations de 30mn), partiel , examen

Volume Horaire : Cours : 16h ; TD : 18h ; 3 ECTS

Notions mathématiques

Systèmes de coordonnées polaires, cylindriques et sphériques.

Dérivées partielles, théorème de Schwarz

Opérateur gradient en coordonnées cartésiennes, cylindriques et sphériques.

Intégrales double et triple, intégrales curvilignes

Equations différentielles

Description Où l'on étend les notions de Méca I aux situations à 2 ou 3 dimensions, avec des systèmes de coordonnées polaires, cylindriques, voire sphériques et en traitant de la rotation.

I – CINEMATIQUE ET DYNAMIQUE Coordonnées polaires : définition, dérivée des vecteurs unitaires ; position, vitesse, accélération. Coordonnées sphériques : définition. Base de Frenet : définition, vitesse, accélération. Mouvement uniforme ou accéléré. Lois de Newton (rappel) Application de la relation fondamentale de la dynamique avec les outils précédents. Exemple : pendule simple en coordonnées polaires.

II - TRAVAIL – ENERGIE Variation d'une fonction de plusieurs variables, gradient et déplacement élémentaire dans les différents systèmes de coordonnées. Energie potentielle et gradient F = - grad U Forces conservatives et exemples d’énergies potentielles

III - MOMENT CINETIQUE Rappels : produit vectoriel, moment d’une force Moment cinétique ; théorème du moment cinétique Application au pendule simple

IV - FORCES CENTRALES – MOUVEMENTS PLANETAIRES Conservation du moment cinétique, mouvement plan, vitesse aréolaire Lois de Kepler et gravitation newtonienne Potentiel effectif, nature de la trajectoire et signe de l'énergie

V – SYSTEMES EN ROTATION Moment cinétique d’un système de points par rapport à un axe orienté Solide en rotation autour d’un axe fixe, moment d’inertie par rapport à un axe, exemples Théorème de Huyghens Energie cinétique Couple de forces, Théorème du moment cinétique pour un solide.

VI - CHANGEMENT DE REFERENTIEL (à contenu variable en fonction du reste) Notion de référentiel Vecteur rotation, dérivée d'un vecteur dans (R) et (R') Exemples

Modalités de contrôle 2 Contrôles continus (1h), 1 Partiel (2h), 1 Epreuve de synthèse (3h)

• UE Thermodynamique 1 et Premier Principe de la Thermodynamique.
• Cette UE est centrée sur le second Principe de la Thermodynamique. Le but est d’expliquer l’irréversibilité au niveau macroscopique et ses différentes manifestations (écoulement spontané de chaleur d’un corps chaud vers un corps froid, hiérarchie des formes d’énergie, notion d’entropie).
•  

• Rappels sur le 1er Principe, différence température – chaleur, coefficients calorimétriques ?
• Enoncés du Second Principe : énoncés de Clausius, Kelvin, Prigogine, Carnot-Clausius. Notion d’entropie.
• Calculs d’entropie (gaz parfait). Cycles.
• Machines thermiques : moteurs, machines frigoriques. Théorème de Carnot sur le rendement.
• Introduction à l’entropie statistique.
• Potentiels thermodynamiques. Relations de Maxwell. Application au calcul des coefficients calorimétriques (relatio nde mayer généralisée). Evolution d’un système vers l’équilibre.
• Transitions de Phase. Isothermes d’Andrews. Chaleurs latentes. Vapeur saturante. Relations de Clapeyron.

Modalités :

• 12 h cours, 12h TD
• 2.5 ECTS
• Session 1 : 0.4 P + 0.6 E
• Session 2 : 1 E

Description: Le but de ce cours est de présenter la physique des systèmes oscillants (de N=1 oscillateur) jusqu'à un nombre macroscopique de degrés de liberté (onde).

• Les vibrations libres, forcées, la résonance et la décomposition en modes normaux pour des systèmes discrets et continus seront discutées. La généralité des concepts sera illustrée à partir d'exemples tant mécaniques qu'électriques.
• La propagation des ondes, les ondes stationnaires, les phénomènes de réflexion, transmission, l'énergétique des ondes seront examinées avec les systèmes modèles suivants: onde sonore, ébranlement sur une corde, ligne de transmission LC.
• Les applications à l'acoustique musicale seront abordées (notamment, notes de musique, fondamental, harmoniques, timbre d'un instrument, notions de psycho-acoustique, courbes de Fletcher-Munson).
• L'énergétique permettra d'introduire la notion de vecteur de Poynting pour une onde sonore ce qui pourra préparer le terrain pour le cours sur les ondes électromagnétiques au S4.
• Une introduction aux phénomènes d'interférence et de diffraction sera faite en vue de faciliter la compréhension de ces notions difficiles pour les cours d'optique physique et de mécanique quantique (au S4).
• Enfin l'effet Doppler pour les ondes sonores sera expliqué.

Bibliographie:

• Waves (Berkeley Physics Course, Vol. 3)
• Ondes, MP-MP*, Hachette
• • Physique tout en 1, PC-PC*, Ed Dunod
• • Toute la physique de spé PC-PSI, Firt, Ed. Belin
• • Physique, tome C, Séguin, Ed. de Boeck

Modalités:

• 44h, CM: 22h, TD: 22h
• 4 ECTS
• contrôles continus (2 interrogations de 30mn), partiel , examen
• Session 1: 0.5 E + 0.25 P + 0.25 CC
• Session 2: 0.75 E + 0.25 CC

Algèbre pour les Sciences - Math259 (4 crédits)

Volume Horaire : Cours : 18h ; TD : 22h

Compétences : Matrice Transformations linéaires Déterminant d'une matrice Applications des déterminants Diagonalisation des matrices Systèmes différentiels linéaires homogènes du premier ordre : Systèmes différentiels ordinaires linéaires non-homogènes du premier ordre Équations différentielles ordinaires linéaires d'ordre supérieur

Description : Cours et TD : - Opérations de base avec les matrices, lien avec les transformations linéaires, changements de base, - Déterminant d'une matrice : lien avec l'aire et le volume, propriétés, règles de calcul, - Applications des déterminants : matrice inverse, résolution des systèmes linéaires, produit vectoriel, valeurs et vecteurs propres d'une matrice, - Diagonalisation des matrices, applications à la classification des courbes et des surfaces du second degré, - Systèmes différentiels linéaires homogènes du premier ordre : base de l'espace des solutions, lien avec les vecteurs propres, calcul pratique, portraits de phase, - Systèmes différentiels ordinaires linéaires non-homogènes du premier ordre : représentation des solutions, variation des constantes, - Équations différentielles ordinaires linéaires d'ordre supérieur : réduction à un système du premier ordre, variation des constantes

Modalités de contrôle : F= note finale, P = Partiel écrit, E = Examen final (EE=écrit, EO=oral) TD = Travaux Dirigés, TP = Travaux Pratiques, O = Oral; CC=Contrôle Continu Les notes obtenues dans les parties TD, TP et O sont du Contrôle Continu.

Session 1 : F = 0.5 EE + 0.25 P + 0.25 TD Session 2 : F = 1 EE

Description: Ce cours a pour pré-requis les cours:

• Electromagnétisme 2 (au S3).
• Vibrations et Ondes (au S3).

Il unit les deux thématiques afin de conduire l'étudiant aux ondes électromagnétiques, la lumière en montrant le couplage des champs électriques et magnétiques, culminant en les équations de Maxwell dans le vide. Les sujets abordés sont:

• travail de la force de Laplace;
• l'induction électromagnétique: cas de Neumann, cas de Maxwell, cas général;

  loi de modération de Lenz, fém induite, flux, flux coupé, champ électromoteur; équation de Maxwell-Faraday; auto-induction; inductance et mutuelle, application aux circuits électriques, circuit LC; applications: freinage par induction, courants de Foucault, moteurs. La notion très importante de transducteur électro-mécanique (conversion d'énergie mécanique en énergie électrique et réciproque) sera soulignée.

• les équations de Maxwell dans le vide:

  Maxwell-Ampère, courant de déplacement, application à l'électrocinétique, équations de Maxwell, équation de d'Alembert, ondes sinusoïdales progressives, énergétique : énergie électromagnétique, vecteur de Poynting polarisation, ondes stationnaires, réflexion par un conducteur parfait, effet de peau, guides d'onde.

Bibliographie:

• E. Purcell, Electricité et magnétisme - Cours de Physique de Berkeley, volume 2 (version française), Armand Colin, Paris, 1973
• R. Feynman, R. Leighton et M. Sands, Cours de Physique - Electromagnétisme (version française), InterEditions, Paris, 1979
• H. Gié et J.P. Sarmant., Electromagnétisme, Tec et Doc, Paris, 1985
• J.P. Faroux et J. Renault, Electromagnétisme 1 - Cours et exercices corrigés, Dunod, Paris, 1996
• J.P. Faroux et J. Renault, Electromagnétisme 2 - Cours et exercices corrigés, Dunod, Paris, 1998
• J.P. Perez, R. Carles et R. Fleckinger, Electromagnétisme, 3 ème édition, Masson, 1997
• D. Halliday, R. Resnick et J. Walker, Physique, 6 ème édition, McGraw-Hill, Montréal, 2003
• J.D. Jackson, Electrodynamique classique (version française), 3 ème édition, Dunod, Paris, 2001

Modalités:

• 40h, 3.5 ECTS
• 20h cours 20h TD
• contrôles continus (2 interrogations de 30mn), partiel , examen
• Session 1: 0.5 E + 0.25 P + 0.25 CC
• Session 2: 0.75 E + 0.25 CC

Cours : 6h/8h – Tds : 14h/12h

Responsables : Elena Magdalena Staicu Casagrande & Jean-Luc Raimbault

Objectif Cette UE vise à donner une introduction à la physique quantique. Le formalisme sera limité à celui de la mécanique ondulatoire (fonction d’onde dans l’espace des positions et des impulsions, équation de Schrödinger et applications simples). Le formalisme de Dirac ne sera abordé qu’en L3.

Contenu  

• Expériences historiques : quantification - effet photoélectrique, atome de Bohr- expérience de Franck et Kertz , dualité avec le postulat de de Broglie, expérience de Davisson et Germer …
• Mécanique ondulatoire : ondes de matière et fonction d’onde, équation de Schrödinger, états stationnaires, paquets d’ondes, transformées de Fourier et relations d’incertitudes de Heisenberg, mesures et observables …

Les exercices traiteront en particulier le cas des marches, barrières et puits de potentiel.

Attendus de l'UE Langue-Anglais3 : Niveau B2 minimum dans les 5 compétences linguistiques.

ANGLAIS DE SPÉCIALITÉ. Cette UE s'inscrit dans la continuité de l'UE Langue-Anglais2 tout en introduisant un travail sur la langue de spécialité (scientifique et/ou de l'entreprise) : on prolongera l'approche actionnelle dans les 5 compétences (compréhension orale et écrite, expression écrite, expression orale en continu et en interaction) à partir de thèmes choisis selon la filière (interaction à travers de documents écrits et/ou audiovisuels centrés sur une problématique et un scénario de communication). La communication interculturelle pourra être abordée dans le cadre du cours. Le travail se fera par groupes de niveau.

Initiation à la tectonique à partir de l'étude géométrique des structures nées de la déformation des formations géologiques. Introduction de la notion de contrainte. Les structures élémentaires (plis, failles) : reconnaissance morphologique, mode de formation, organisation géométrique. L'évolution spatiale et temporelle des zones déformées (sur une base de données chrono-stratigraphiques avec discordance, cachetage, subsidence). Mise en relation étroite avec les cartes géologiques : apprentissage de la lecture des cartes et de l'interprétation contrôlée de l'organisation géométrique des formations géologiques.

Attendus de l'UE Langue-Anglais2 : Niveau B1 minimum dans les 5 compétences linguistiques

ANGLAIS GÉNÉRAL. Cette UE s'inscrit dans la continuité de l'UE Langue-Anglais1 : on prolongera notamment le travail sur la prononciation ainsi que l'approche actionnelle dans les 5 compétences (compréhension orale et écrite, expression écrite, expression orale en continu et en interaction) à partir de thèmes choisis tels que Science et Technologie, Médias et Réseaux sociaux. L'interaction se fait à travers des documents écrits et/ou audiovisuels centrés sur une problématique et un scénario de communication et/ou dans la cadre d'un projet tout au long du semestre. La communication interculturelle pourra être abordée dans le cadre du cours. Le travail se fera par groupes de niveau.

Les Objectifs d’Apprentissage Visés de cette UE sont de :

• Comprendre l’évolution de la vision du système solaire au cours des siècles. L’étudiant sera confronté aux différentes visions historiques du système solaire et de la forme de la Terre. A partir de documents historiques, il comprendra comment les astronomes ont pu valider le système héliocentrique et la forme aplatie de la Terre.
• Comprendre le mouvement des astres et des planètes : A partir d’observations astronomiques que l’étudiant peut faire tous les jours (Mouvement du Soleil, Phases de la Lune, mouvement des planètes), l’étudiant sera capable de comprendre le mouvement des astres pouvant expliquer les observations.
• Reconnaitre une météorite parmi des roches terrestres et connaitre les grandes classes de météorites et d’impactites : L’étudiant observera et distinguera les grandes classes de météorites et d’impactites. Grâce aux observations, l’étudiant apprendra les critères d’identification des météorites et comprendra leurs origines et les transformations minéralogiques associées au métamorphisme d’impact.
• S’initier aux techniques instrumentales et méthodes d’analyses des surfaces planétaires : A partir d’exemples de missions spatiales actuelles, présentes et futures, l’étudiant sera capable de comprendre le fonctionnement de différents instruments embarqués et utile pour l’étude des surface planétaires (Imagerie, spectroscopie, gravimétrie,..) .
• Observer et analyser une image d’une surface planétaire : Après avoir appris les principales caractéristiques morphologiques des différents corps du système solaire, l’étudiant observera des images de Mars, de la Lune, de comètes, d’astéroïdes et de satellites glacés pour identifier les différents processus actifs sur les différents corps planétaires.

L’objectif de cette UE est de comprendre l’histoire du système solaire par une approche comparative des différents corps planétaires. Elle permet initier aux techniques instrumentales et aux méthodes d’analyses des surfaces planétaires.

- Formation et histoire du Système solaire (CM 2h) - Les météorites – Classification/Méthodes d’analyse/Observation (CM 1h/TP 2h) - Le mouvement des astres et des planètes (CM 1h/TD 2h) - Historique et instrumentation des missions spatiales du système solaire (CM 2h) - La Planète Mars: morphologie et interactions surface/climat. Initiation à la cartographie planétaire (CM/TD 3h) - Les cratères d’impact : morphologie, formation et minéralogie (CM 1h/TD 2h) - Petits corps (Comètes, astéroïdes), satellites et objets transneptuniens. Analyse des observations de météores (CM/TD 3h) - La Lune : histoire et formation. Observation de la surface au télescope et imagerie. Datation des surfaces lunaires (CM 1h/TP 3H) - Les planètes géantes (CM 2h)

• Niveau Baccalauréat Scientifique en SVT, Mathématique, Physique et Chimie
• Notions d’observation en géologie
• Notions de géométrie dans l’espace
• Notions de physique du mouvement et sur la lumière

Géologie des planètes et des satellites, Christophe Sotin, Olivier Grasset, Gabriel Tobie, Dunod, 2009.

Description: Cette UE de Physique Expérimentale a pour but de permettre aux étudiants de manipuler dans le cadre de TP de:

• mécanique du solide (pendule, 1 séance),
• ondes mécaniques (cuve à ondes ... 4 séances),
• électromagnétisme et ondes électromagnétiques (induction, effet Doppler, ondes centimétriques, 3 séances),
• thermodynamique (calorimétrie, étude du gaz parfait 2 séances).

La Physique est une science expérimentale; cette UE est donc essentielle pour permettre aux étudiants de mieux comprendre les notions abordées dans les autres UE. Un préjugé fréquent chez les étudiants qui entrent en L2, c'est que la physique est avant tout théorique (la lecture d'ouvrages de vulgarisation mettant l'accent sur les expériences de pensée des éminents fondateurs de la relativité et de la quantique est probablement à l'origine de cette erreur). Au contraire, l'aller-retour entre la théorisation et l'expérience est crucial. Les étudiants apprendront lors de ces TP à:

• faire des mesures,
• traiter des jeux de données,
• évaluer des incertitudes,
• confirmer / infirmer des prévisions théoriques,
• fitter des courbes, développer leur sens critique ...

Modalités:

• 40 h de TP ( 10 séances de 4h), 3.5 ECTS.
• examen de TP à la fin du semestre
• présence obligatoire aux TP
• 2 absences non justifiées rendent défaillants à l'UE et donc au Bloc de Connaissances et Compétences (BCC)
• les absences justifiées autorisent à rattraper la séance manquée avec un autre groupe (en cas de non-rattrapage, l'absence devient injusitfiée).

Description:

• Outils numériques pour la Physique.
• Apprendre à écrire des programmes simples utilisables en Physique.
• Apprentissage du langage Python, utilisation de la librairie NumPy.

Plan: S1. Python & Numpy S2. Graphiques & structuration d’un code S3. Fonctions à 2 variables : représentation graphique; calcul matriciel S4. Résolution d’équations (racines & solution d’un système linéaire) S5. Statistiques avancés (moindre carr., régr. lin. (± incertitudes), loi NL) S6. Intégrales avancés (rappel, Gauss-Legendre, Monte Carlo) S7. Traitement d’image (charger/manipuler, convolution, filtrage) S8. Résolution d’équation différentielle (euler, heun, runge-kutta, systèmes d’Edo, visus)

cf https://gitlab.u-psud.fr/MethNum/L2-Sujets

Modalités:

• 8 TP de 4h = 32 h
• contrôle continu / examen (à définir)

Maitriser les bonnes pratiques de laboratoire (manipulation, sécurité) et les techniques expérimentales (synthèse, purification). Interpréter des résultats, Rédiger un compte-rendu de TP en chimie. Utiliser des instruments analytiques pour caractériser les molécules (CCM, RMN, IR...)

Options de Chimie Expérimentale à l'interface entre la chimie organique, la chimie des solutions et la chimie inorganique. Elle propose de mettre en avant l'interdisciplinarité de la chimie par 3 séances de travaux pratiques de 8 heures. La première séance sera basée sur la synthèse de l'hélianthine et sur l'étude de ses propriétés physicochimiques comme indicateur coloré. Une deuxième séance permettra d'étudier les propriétés en solution du SDS (et de sa synthèse). Enfin un catalyseur organométallique de manganèse sera synthétisé et sera utilisé dans une réaction d'époxydation catalytique.

Tout livre de niveau premier cycle dans les rayons de la BU (Chimie Organique, Inorganique et des solutions)

6 séances de 4h de TP + 2h de formation online sur les bonnes pratiques de laboratoire