L'enseignement de la physique expérimentale au département est fait de manière à laisser une grande autonomie aux étudiants, qui travaillent par binômes. La volonté est de laisser les étudiants se poser eux-mêmes les questions de méthodologie et d'instrumentation qu'ils mettent en oeuvre pour effectuer les observations.

Ce module est encadré par une équipe d'enseignants-chercheurs. Il y a un net parti-pris en direction de la recherche dès le L3. L'accent est mis en particulier sur l'usage d'un "cahier de manip" et sur le travail collectif.

Le premier semestre est organisé de la manière suivante : trois séances introductives bien encadrées permettent de se familiariser avec les laboratoires et le matériel, et sont suivies de trois "mini-projets". Les sujets de ces "mini-projets" sont de quelques lignes et sont traités sur une durée de trois semaines.
 

La première partie du cours représente une introduction aux formulations lagrangienne et hamiltonienne de la mécanique classique. L'approche de Lagrange est très commode pour aborder des systèmes où le mouvement est contraint, et l'approche de Hamilton sert de point de base en mécanique statistique et en mécanique quantique. La généralisation des formulations lagrangienne et hamiltonienne à des systèmes avec un nombre infini de degrés de liberté est un outil essentiel en théorie des champs (électrodynamique, gravitation, ...).
Sont traités en cours et TD : équations de Lagrange de première et de deuxième espèce, principe variationnel de Hamilton, théorèmes de Noether, équations de Hamilton, espace de phase, transformations canoniques, équation de Hamilton et Jacobi). La deuxième partie du cours représente une introduction à la théorie de la relativité restreinte. Cette théorie sert de base et de cadre à toutes les théories fondamentales en physique. Sont discutés : principe de relativité d'Einstein, transformations de Lorentz, diagrammes de Minkowski, contraction des longueurs, dilatation du temps, paradoxe des jumeaux, formules d'aberration, effet Doppler, quadri-vecteurs, groupes de Lorentz et de Poincaré, lois de conservation, mécanique relativiste (formulations de Newton, Lagrange et Hamilton).

Discipline traditionnelle développée au cours du 19^ème siècle, la mécanique des milieux continus -solides ou liquides- est à la base de nombreuses applications en ingénierie. La théorie de l’élasticité linéaire est d’ailleurs la première « théorie des champs » et de nombreuses notions mathématiques ont été introduites dans ce cadre : opérateurs vectoriels, polynômes orthogonaux… Ce domaine connaît un regain d’intérêt en physique en raison du développement de nombreuses thématiques pluridisciplinaires telles que la nanomécanique, la mécanobiologie, les matériaux architecturés ou encore la géophysique et la physique du climat.

L’objectif de ce cours est d’abord d’introduire les notions qui permettent de décrire le mouvement d’un corps solide indéformable sous l’action de forces extérieures et d’étudier la déformation d’un solide élastique sous l’effet de ces forces. Ensuite, nous montrerons comment le formalisme correspondant s’étend à la description du mouvement de liquides visqueux à travers une introduction à la mécanique des fluides. Enfin, le cours abordera brièvement la mécanique des interfaces entre deux milieux à travers les notions de tension de surface, de mouillage et de capillarité.

Ce cours propose une introduction aux outils fondamentaux du traitement du signal et des images, appliqués aux données expérimentales issues des sciences physiques. L’accent est mis sur la compréhension des méthodes de représentation, de filtrage et d’analyse spectrale des signaux, ainsi que sur la numérisation et le traitement d’images. En partant de la chaîne d’acquisition d’un signal, le cours développe progressivement les bases mathématiques et physiques nécessaires pour manipuler, transformer et interpréter des signaux analogiques et numériques, ainsi que des images discrètes.

Au second semestre, l'enseignement de physique expérimental est organisé de la façon suivante :

- un mini-projet (trois séances) introductif aux problèmes d'acquisition (cartes et logiciel Labview) et de traitement des données (Matlab, Scilab...). Ce mini-projet n'est pas un TP de traitement du signal mais une sensibilisation sur la nécessité, dans le cadre d'une expérience donnée, d'un choix judicieux des paramètres d'acquisition et ainsi que d'une interprétation correcte des données.

- un mini-projet (trois séances) autour de la mécanique quantique.

- un projet expérimental réalisé en laboratoire par les étudiants (en binôme). Ils auront six séances de travail en laboratoire pour le mener à bien. L'esprit d'initiative, l'autonomie et le soin apporté aux expériences sont quelques-unes des qualités permettant de réussir ce module.

Stage dans un laboratoire de recherche académique ou industriel en France ou à l'étranger constituant 8 semaines de présence à temps plein, la rédaction d'un rapport et une soutenance orale. Il s'agit pour l'étudiant de prendre un premier contact avec le monde de la recherche.

Ce module présente une introduction aux méthodes de résolution des systèmes non linéaires ainsi qu’aux notions de chaos. La présentation privilégie l’étude d’un nombre restreint d’équations modèles à l’aide de méthodes analytiques simples ou bien de méthodes géométriques élémentaires. La présentation s’appuie sur une progression systématique à partir des équations différentielles du premier ordre, avant d’étudier des exemples dans le plan de phase, les cycles limites et leurs bifurcations. Le cours se termine par l’étude des phénomènes de chaos à partir du modèle de Lorenz ou sur des applications itérées. Les notions de fractales, d’attracteurs étranges ou d’exposants de Lyapunov sont brièvement abordées. Les différentes notions sont illustrées à l’aide de nombreux exemples de physique, de mécanique, d’électronique, de chimie, de biologie, d’écologie,...

Bibliographie

S.H. Strogatz : Nonlinear Dynamics and Chaos, Westview Press (2014)

Le champ électromagnétique est décrit par les équations de Maxwell. Le cours démarre donc par les équations de Maxwell et leurs conséquences directes sur le champ: sources, lois de conservation, lois de passage. Les solutions les plus simples (ondes planes) sont décrites en détail dans le vide et on aborde la décomposition en onde plane des champs.

Dans un deuxième temps, l'effet de la matière sur la propagation du champ est étudié. On introduit l'indice via le vecteur P et on étudie différents modèles de la matière. On étudiera en détail la propagation d'ondes planes dans les milieux homogènes dispersifs. L'étude des milieux anisotropes nous conduira à introduire la polarisation des ondes et le formalisme de Jones.

La troisième partie du cours est consacrée aux milieux stratifiés. L'utilisation des symétries dans la résolutions des équations de Maxwell est expliquée de façon générale puis appliquée aux structures d'intérêt. On en déduit les lois de Fresnel ainsi que la structure exacte du champ électromagnétique dans les guides plans.

Enfin, la création du champ est décrite dans différentes approximations. Tout d'abord on effectuera le calcul direct des champs E et B à partir de distributions statiques continues (Lois de Coulomb et Biot). L'approximation non statique et non relativiste est traitée via l'introduction des potentiels vecteurs. On insiste sur le rayonnement du dipôle oscillant. On finira par la formulation relativiste de l'électromagnétisme et son application au rayonnement.

La compréhension de la nature ondulatoire et corpusculaire de la lumière, de ses interactions avec la matière est à l’origine de l'émergence de la physique moderne dès le début du 20ème siècle. Depuis ces travaux fondateurs, l'optique est devenue un des domaines les plus dynamiques en recherche et dans l’industrie, et une compétence transversale nécessaire aux autres domaines de recherche. Par exemple, il est aujourd’hui possible d’initier et de résoudre la dynamique de processus quantiques dans les atomes, molécules, clusters, nanoparticules uniques résolues aux échelles de temps des dynamiques rotationnelles, vibrationnelles et électroniques (cf. Nobel Chimie Zewail 1999, Nobel Physique Mourou-Strickland 2018, Nobel L'Huillier-Agostini-Krausz 2023). En parallèle avec les développements technologiques actuels, l’optique apporte des solutions de caractérisation d’échantillon, d’imagerie, de résolution spatiale sub-longueur d’onde (cf. Nobel chimie 2014), de télécommunication et d’optronique, et autres. Les applications qui en découlent sont de plus en plus indispensables à la vie quotidienne.
Ces évolutions reposent sur la maîtrise de la lumière, des ondes, des interférences et de leurs conséquences. Ces théories sont décrites par l'optique ondulatoire et l’optique de Fourier spatiale et temporelle qui seront abordées dans le cadre de cet enseignement dont les potentialités seront explorées sur des exemples significatifs.