Physique expérimentale , livre ebook

Jolidon
Physique expérimentale
Optique, magnétisme, électrotechnique, mécanique, thermodynamique et physique non linéaire
Copyright

© EDP Sciences, Les Ulis, 2021
ISBN papier : 9782759823642 ISBN numérique : 9782759829804
Composition numérique : 2023
http://publications.edpsciences.org/
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Présentation

Ce livre regroupe 25 expériences de physique. Pour chacune, les aspects théoriques nécessaires à la compréhension du phénomène physique et l’élaboration du protocole sont détaillés. Des mesures, obtenues en laboratoire d’enseignement, sont présentées et systématiquement comparées aux prédictions théoriques. Un traitement rigoureux des incertitudes permet des discussions riches, allant au-delà des modèles proposés. Des schémas détaillés des dispositifs expérimentaux et des traitements numériques dans le langage libre Python facilitent la reproduction des expériences.
Pensé pour les candidats aux concours du CAPES et de l’agrégation, cet ouvrage s’adresse également aux étudiants de CPGE, de licence et de master, ainsi qu’aux enseignants du secondaire et du supérieur. 
Le collectif Jolidon est composé de Éric Brillaux, Benjamin Crinquand, Louisiane Devaud, David Dumont, Camille Eloy, Antoine Essig, Benjamin Guiselin, Christopher Madec, Alexandre Michel, Jérémy Sautel, Théo Sépulcre et Louis Villa.
L'auteur

Jolidon

Composé de Éric Brillaux, Benjamin Crinquand, Louisiane Devaud, David Dumont, Camille Eloy, Antoine Essig, Benjamin Guiselin, Christopher Madec, Alexandre Michel, Jérémy Sautel, Théo Sépulcre et Louis Villa.
Table des matières Avant-propos Incertitudes et ajustements 1. Notion d incertitude 2. Évaluation des incertitudes 3. Ajustement d un modèle sur des données I. Optique I.1. Réglage d un interféromètre de Fabry-Perot 1. Introduction 2. Rappels d interférométrie 3. Interféromètre de Fabry-Perot 4. Réglage de l interféromètre 5. Rayons des anneaux et épaisseur 6. Finesse I.2. Spectroscopie à l aide d un interféromètre de Fabry-Perot 1. Introduction à la spectroscopie 2. Choix de l épaisseur 3. Méthode de mesure 4. Étude du doublet du sodium I.3. Décalage isotopique hydrogène-deutérium 1. Introduction 2. Aspects théoriques 3. Protocole 4. Résultats I.4. Effet Zeeman 1. Introduction 2. Levée de dégénérescence par effet Zeeman normal 3. Effet Zeeman normal transverse 4. Polarisation des raies Complément A - Spin et effet Zeeman anormal Complément - Règles de sélection et polarisation I.5. Spectroscopie par transformée de Fourier 1. Introduction 2. Spectroscopie par transformée de Fourier 3. Spectroscopie statique 4. Spectroscopie dynamique Complément A - Propriétés usuelles de la transformée de Fourier Complément - Transformée de Fourier discrète Complément C - Encodage linéaire des photographies Complément D - Code Python pour la spectroscopie dynamique II. Magnétisme II.1. Ascension d un liquide paramagnétique 1. Électromagnétisme dans un milieu magnétique 2. Méthode de Quincke 3. Mesure de la susceptibilité magnétique 4. Hystérésis de mouillage Complément A - Force subie par un matériau ai-mantable Complément B - Fonctionnement d une sonde à effet Hall II.2. Cycle d hystérésis d un milieu ferromagnétique 1. Introduction 2. Ferromagnétisme et cycles d hystérésis 3. Construction du protocole expérimental 4. Étude d un cycle « doux » II.3. Domaines de Weiss : origine de l hystérésis ferromagnétique 1. Introduction 2. Ferromagnétisme à l échelle microscopique 3. Visualisation optique des domaines de Weiss 4. Protocole 5. Première aimantation et désaimantation 6. Cycle d aimantation 7. Irréversibilité de la structure des domaines Complément A - Méthode d analyse des images II.4. Mesure du moment magnétique d un aimant permanent 1. Introduction 2. Les aimants permanents 3. Description de l expérience 4. Protocole et résultats 5. Discussion II.5. Freinage magnétique dans un tube conducteur 1. Introduction à l induction électromagnétique 2. Chute d un aimant dans un tube conducteur 3. Mesure de la position de l aimant 4. Mesure de la vitesse limite de chute 5. Résultats Complément A - Calcul numérique de la vitesse limite de l aimant III. Électrotechnique III.1. Machine à courant continu 1. Introduction 2. Présentation générale 3. Approche théorique 4. Étude à vide 5. Étude en charge III.2. Machine asynchrone 1. Introduction 2. Principe général 3. Étude théorique 4. Prélude à l étude expérimentale 5. Étude à vide 6. Étude en charge Complément A - Expression du couple EM Complément B - Expérience qualitative III.3. Transformateur électrique monophasé 1. Introduction 2. Étude théorique d un transformateur 3. Montage 4. Essai à vide 5. Essai en court-circuit 6. Étude en charge Complément A - Inductance magnétisante Complément B - Montages courte et longue dérivations IV. Mécanique IV.1. Mesure du module de Young par méthode acoustique 1. Introduction 2. Étude théorique de la vibration d une poutre 3. Protocole expérimental 4. Résultats 5. Discussion Complément A - Calcul du moment fléchissant Complément B - Calcul des pulsations propres IV.2. Dynamique d un gyroscope déséquilibré 1. Introduction 2. Théorie de la précession 3. Mesures préliminaires 4. Vérification de la loi de précession Complément A - Rappels sur le tenseur d inertie IV.3. Dynamique d un gyroscope libre 1. Introduction 2. Dynamique du gyroscope libre 3. Étude expérimentale de la dynamique libre Complément A - Dynamique d un gyroscope faiblement asymétrique V. Thermodynamique V.1. Thermométrie à gaz 1. Introduction à la thermométrie 2. Étude statique du thermomètre à gaz 3. Étude dynamique du thermomètre à gaz 4. Limites à la justesse du capteur V.2. Thermométrie électrique 1. Sonde de platine et thermistance 2. Thermocouples 3. Temps de réponse V.3. Expérience de Rüchardt 1. Introduction 2. Aspects théoriques 3. Réalisation de l expérience 4. Exploitation des résultats V.4. Mesure d une chaleur latente de vaporisation 1. Introduction 2. La méthode électrique 3. Protocole 4. Exploitation des résultats 5. Autres méthodes calorimétriques V.5. Supraconductivité : lévitation Meissner et chute de résistivité 1. Introduction 2. Aspects théoriques 3. Expériences qualitatives 4. Chute de résistivité et mesure de T c 5. Discussion Complément A - Supraconducteur et conducteur parfait Complément - Force magnétique sur un supraconducteur Complément C - Conseils pour construire son expérience V.6. Diffusion du glycérol dans l eau 1. Des phénomènes de transport à la diffusion 2. Méthode optique réfractométrique 3. Mesure du coefficient de diffusion VI. Phénomènes non linéaires et instabilités VI.1. Pendule double puits électronique 1. Introduction 2. Aspects théoriques 3. Pendule double puits 4. Diagramme de bifurcation Complément A - Typologie des points fixes des systèmes dynamiques linéaires bidimensionnels VI.2. Résonance paramétrique d un circuit RLC 1. Introduction 2. Caractéristiques de la résonance paramétrique 3. Modélisation expérimentale 4. Mesure de la première bande de résonance 5. Mesure du taux de croissance dans la première bande de résonance paramétrique VI.3. Instabilité de Rayleigh- lateau 1. Introduction 2. Analyse théorique de l instabilité 3. Aspects expérimentaux 4. Résultats 5. Influence de la pesanteur sur l instabilité Complément A - Traitement numérique d une image Index A B C D E F G H I J L M N O P Q R S T V W Z
Avant-propos

T héorie et expérience sont d égale importance pour la modélisation et compréhension d un phénomène physique ; pourtant ces deux aspects sont souvent traités séparément dans les manuels d enseignement. En rédigeant ce recueil de physique expérimentale, nous avons voulu refléter leur dialogue dans un exposé didactique. L exhaustivité étant impossible, nous avons plutôt cherché à illustrer des phénomènes originaux au détriment de certaines expériences classiques, de façon à éviter les recoupements avec des manuels récents, généralistes ou spécialisés. Pour chaque expérience, nous proposons un cadre théorique suffisamment large pour comprendre en détail le protocole, mais aussi en cerner les limites. Cela offre un regard critique sur le résultat expérimental, et enrichit sa discussion. En retour, toute déviation au résultat attendu, détectée par un traitement rigoureux des incertitudes, motive l approfondissement de l analyse théorique.
Ce livre est destiné à la préparation des concours du CAPES et de l agrégation, propices au dialogue entre ces aspects pratiques et théoriques. Nous espérons que les étudiants de classes préparatoires ou des universités et leurs enseignants y trouveront aussi des pistes de travaux pratiques, de TIPE, voire des illustrations originales de leurs cours. L aller-retour entre théorie et expérience pourrait également offrir aux étudiants un aperçu de la démarche de recherche. Pour s adresser à ces différents lecteurs, nous avons souhaité que chaque expérience se suffise à elle-même. Des compléments développent les étapes plus techniques, et une bibliographie apporte des pistes pour approfondir les sujets abordés dans chaque expérience.
Cet ouvrage est divisé en six thèmes : optique, magnétisme, électrotechnique, thermodynamique, mécanique, et un regroupement de phénomènes non linéaires et d instabilités. Un chapitre préliminaire rappelle les notions d incertitudes et d ajustement de données expérimentales. Les concepts importants sont illustrés par de nombreux exemples indiqués par un trait vertical vert . Dans les expériences, un trait noir indique une remarque d ordre physique