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Année académique 2017-2018
17/12/2017
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Dernière modification : le 14/09/2016 par SPARENBERG, Jean-Marc

Langue/Language


Physique quantique et statistique
PHYS - H200

I. Informations générales
Intitulé de l'unité d'enseignement * Physique quantique et statistique
Langue d'enseignement * Enseigné en français
Niveau du cadre de certification * Niveau 6 (1e cycle-BA)
Discipline * Physique
Titulaire(s) * [y inclus le coordonnateur] Jean-Marc SPARENBERG (coordonnateur)
II. Place de l'enseignement
Unité(s) d'enseignement co-requise(s) *
Unité(s) d'enseignement pré-requise(s) *
Connaissances et compétences pré-requises * Algèbre. Analyse. Physique. Mécanique rationnelle.
Programme(s) d'études comprenant l'unité d'enseignement - B-IRCI - Bachelier en sciences de l'ingénieur, orientation Ingénieur civil - Poursuite de cursus (5 crédits, obligatoire)
III. Objectifs et méthodologies
Contribution de l'unité d'enseignement au profil d'enseignement *

Les principales compétences développées par ce cours sont la maitrise et la mobilisation du corpus scientifique se rapportant à  la description du monde microscopique (physique quantique) et du monde macroscopique en termes de constituants microscopiques (physique statistique). Sur base de ce corpus, l'étudiant est amené à élaborer un raisonnement scientfique structuré pour modéliser des situations schématiques, en tenant compte des ordres de grandeur et en dégageant les paramètres dominants, puis à résoudre les équations du modèle ainsi établi, analytiquement et/ou numériquement, en vue de permettre une comparaison avec une réalité expérimentale.

Ce cours engage par ailleurs l'étudiant dans une démarche réflexive sur l'édifice scientifique, la physique quantique étant une discipline jeune, encore inachevée par plusieurs aspects. En particulier, sont soulignées les différences entre les faits démontrés expérimentalement, les théorèmes démontrés mathématiquement, les postulats adoptés pour l'accord entre leurs prédictions et les résultats expérimentaux, et les croyances qui peuvent guider l'intuition du chercheur mais qui nécessitent confrontation à l'expérience afin d'être validées.

Objectifs de l'unité d'enseignement (et/ou acquis d'apprentissages spécifiques) *

Comprendre les concepts fondamentaux des physiques quantique et statistique et savoir les mettre en œuvre pour la modélisation de systèmes physiques simples. En physique quantique, modéliser des atomes, des molécules, des noyaux à l'aide de l'équation de Schrödinger; en physique statistique, modéliser des gaz de photons, d'électrons, d'atomes, de molécules, de fermions, de bosons, à toute température, à l'aide des distributions statistiques appropriées.

Résoudre mathématiquement (analytiquement, graphiquement, voire numériquement) les modèles ainsi établis dans les cas les plus simples.

Situer les origines des physiques quantique et statistique dans l'histoire des sciences et connaitre leurs principales applications technologiques actuelles (lasers, spectoscopie, semiconducteurs, centrales nucléaires, accélérateurs...).

Contenu de l'unité d'enseignement *

Concepts fondamentaux de physique quantique: Particules et forces. Dualité onde-particule. Équations d'ondes relativistes et non relativistes. Équation de Schrõdinger à une et trois dimensions. Postulats et interprétation (relations d'incertitude, chat de Schrödinger). Moment cinétique orbital. Atome d'hydrogène. Systèmes de particules. Principe d'exclusion de Pauli. Spin. Structure des atomes. Molécules et solides. Noyaux. Interaction lumière-matière, transitions électromagnétiques et spectre.

Concepts fondamentaux de physique statistique: Entropie. Ensemble canonique. Distribution de Boltzmann et de Maxwell. Statistiques de Fermi-Dirac et de Bose-Einstein (condensation de Bose-Einstein). Distribution de Planck.

Applications technologiques: laser, réseau de diffraction, polariseur, informatique quantique, semiconducteurs, supraconducteurs, superfluides, magnétisme, microscope à effet tunnel, production d'énergie nucléaire.

Méthodes d'enseignement et activités d'apprentissages *

Cours ex cathedra + exercices sur papier

Support(s) de cours indispensable(s) * Oui (4)
Autres supports de cours

Indispensables:

- syllabus disponible au format papier (PUB) et électronique (UV),

- diapositives de synthèse utilisées au cours oral (UV),

- petit équipement expérimental (réseau de diffraction, polariseurs) fourni au cours oral,

- énoncés des séances d'exercices (UV).

Autres: enregistrements du cours ex cathedra (podcast), sites internet d'information ou interactifs, forum de discussion (université virtuelle), références bibliographiques (voir ci-dessous).

Références, bibliographie et lectures recommandées *

J.-L. Basdevant et J. Dalibard, Mécanique Quantique (Éditions de l'École Polytechnique, 2005)
J.-L. Basdevant and  J. Dalibard, Quantum Mechanics (Springer, 2005)
M. Kumar, Quantum: Einstein, Bohr and the Great Debate About the Nature of Reality (Icon Books, 2009)
M. Kumar, Le grand roman de la physique quantique (Lattès, 2011)
F. S. Crawford Jr., Ondes, Berkeley: cours de physique, volume 3 (Armand Colin, 1972)
F. S. Crawford Jr., Waves, Berkeley Physics Course, volume 3 (McGraw-Hill, 1965)
E. H. Wichmann, Physique quantique, Berkeley: cours de physique, volume 4 (Armand Colin, 1974)
E. H. Wichmann, Quantum Physics, Berkeley Physics Course, volume 4 (McGraw-Hill, 1967)
F. Schwabl, Quantum Mechanics (Springer, 2009)
C. Cohen-Tannoudji, B. Diu et F. Laloë, Mécanique quantique I et II (Hermann, 1977)
B. H. Bransden and C. J. Joachain, Introduction to Quantum Mechanics (Longman, 1989)

F. Reif, Physique statistique, Berkeley: cours de physique, volume 5 (Armand Colin, 1972)
F. Reif, Statistical Physics, Berkeley Physics Course, volume 5 (McGraw-Hill, 1967)
B. Diu, C. Guthmann, D. Lederer et B. Roulet, Éléments de Physique Statistique (Hermann, 1997)

IV. Evaluation
Méthode(s) d'évaluation *

Examens écrits.

Construction de la note (en ce compris, la pondération des notes partielles) *

1ère session: janvier: QCM (20%), juin: écrit théorique et pratique (80%).

2ème session: aout: écrit théorique et pratique (100%)

Langue d'évaluation *

Français

V. Organisation pratique
Institution organisatrice * ULB
Faculté gestionnaire * Ecole polytechnique Bruxelles
Quadrimestre * 1e et 2e quadrimestre (NRE : 16765)
Horaire * Premier quadrimestre - Deuxième quadrimestre
Volume horaire

36 heures de cours ex cathedra, 24h d'exercices (12 fois 2 heures).

VI. Coordination pédagogique
Contact *

jmspar@ulb.ac.be

Lieu d’enseignement *

Solbosch

VII. Autres informations relatives à l’unité d’enseignement
Remarques

Cours étalé sur les deux quadrimestres.


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