Préparation rentrée physique PC (2024-2025)

Voici quelques documents pour préparer la rentrée du cours de physique en PC. Les documents pdf sont accompagnés de vidéos. Ce sont des clarifications/révisions de PCSI, qu'il faut absolument avoir travaillées pour le jour de la rentrée.
Tous ces documents représentent quelques heures de travail, à effectuer avant la rentrée.
Passer à côté de ces révisions, c'est se mettre en difficulté dès le début de l'année. Je considérerai comme acquis tout ce qui est abordé ici.

La méthode de travail que je vous propose :
- se munir d'un brouillon et d'un stylo
- visionner les vidéos et mettre pause pour répondre aux questions posées, au brouillon. La réponse aux questions est donnée dans la suite des vidéos.

Il est important de réfléchir par soi-même avant de regarder les solutions, au moins qq minutes par question.

A la fin de ce billet, vous trouverez un questionnaire de révision de mécanique PCSI. Quelques jours avant la rentrée, je vous enverrai le corrigé, en pdf et en vidéo.
Il faudra auparavant m'avoir envoyé par mail des photos de votre travail (en un seul fichier pdf de préférence), pour attester que vous avez bien cherché à répondre à ce questionnaire par vous-même.

Ce travail préparatoire nous permettra de commencer l'année efficacement, et de gagner qq heures précieuses en vue de boucler confortablement le programme.

 

Documents :

- Quelques remarques/recettes pour être un.e bon.ne physicien.ne :
https://www.youtube.com/watch?v=CepwqFpPQsA... (40min de vidéo, à regarder en plusieurs fois si besoin)
Qq_remarques_bon_physicien.pdf (document support de la vidéo)

- Annexe système de coordonnées :
vous trouverez ci-dessous un lien vers la playlist youtube "rentrée en PC", où se trouvent les 6 vidéos (environ 15min chaque) de révision concernant les systèmes de coordonnées
https://m.youtube.com/playlist?list=PLz2ySvc4rDiXzKNWHYjM...
Annexe_systcoordonnees.pdf (doc support de la vidéo)
Annexe_systcoordonnees_comments.pdf (fichier manuscrit de prise de notes)

- Cartes mentales résumant la méca PCSI :
MindMap_meca_ptmat_PCSI.pdf
MindMap_meca_solide_PCSI.pdf

 

Questionnaire de révision :
Meca_revisionsPCSI.pdf (pas nécessaire d'avoir bossé les doc ci-dessus)
(corrigé en pdf et en vidéo, à venir)

 

Si vous avez des questions, des difficultés, n'hésitez pas à me contacter par mail

Programme de colle S22 : mardi 02 - vend 05 avril

Dernière semaine de colle

MécaQ chap.1 : Particule libre

- fonction d'onde : état mécanique, "amplitude de probabilité", interprétation physique du module au carré, unité
- Attention : les ondes complexes ne sont pas un simple intermédiaires de calcul en mécaQ. La partie réelle de la fonction d'onde ne représente rien de particulier
- superposition : on somme les fonctions d'onde issues de la division d'une fonction d'onde mère, et l'on "voit" le module au carré, analogie avec l'optique ondulatoire
- dualité onde-corpuscule : exp fentes d'Young, relations de Planck-Einstein et de de Broglie (bien utiliser notations de spé : h_barre, relation de Broglie est vectorielle). On pense onde lors propagation, on pense corpuscule lors détection.
- Equ Schrö ne doit pas être connue par coeur
- famille de solution : séparation des variables => états stationnaires (dté proba constante)
- Etats stationnaires particule libre = OPPH de de Broglie. Leur expression n'a pas été admise, mais a été démontrée en cours
- les états stationnaires sont des états dont l'énergie est parfaitement déterminée
- Attention piège vocabulaire : les états stationnaires ne sont pas les ondes stationnaires de la physique classique
- Relation de dispersion des OPPH de de Broglie, le vide est dispersif, vitesse de phase ne s'identifie pas à la vitesse des particules en méca du point, les OPPH ne vérifient pas la condition de normalisation (pour des CL qcq)
- les OPPH ne permettent donc pas de décrire correctement les particules quantiques
- les paquets d'OPPH sont des solutions math qui décrivent bien les particules, vitesse de groupe s'identifie à la vitesse des particules classiques
- paquet d'onde <=> spectre en w et en k. Donc les particules n'ont pas une énergie fixée, ni une quantité de mouvement fixée. Mais un spectre en énergie, et un spectre en impulsion.
- pté des TFourier implique les relations d'incertitude de Heisenberg (en temps-énergie, et en position-impulsion)
- Savoir interpréter physiquement l'expression admise d'un courant de probabilité

 

Ondes chap.5 : Réflexion / transmission à une interface (Cours et exos)

- demander à un.e étudiant.e d'établir les expressions des coeff réflexion et transmission en vitesse, surpression et puissance surfacique, dans le cas d'une interface entre deux fluides
- OU demander à un.e étudiant.e d'établir les expression des coeff en réflextion et transmission pour E dans cas de deux milieux d'indices cpx. Coeff en puissance uniquement quand indices sont réels

 

Ondes chap. 4 Ondes linéaires, dispersion, abosrption (Cours et exos)

- pas prioritaire d'établir les équations de couplage et l'équation d'onde : les donner et en tirer les conséquences physiques. L'établissement des ces équations peut être rejeté en fin d'exo
- OPPH à vecteur d'onde complexe : "pseudo-OPPH", savoir proposer une écriture par coeur en complexe
- un.e étudiant.e au moins doit (cours ou exo) passer de l'écriture complexe d'une "pseudo-OPPH" à son écriture en réel
- dispersion, absorption, vitesse phase et groupe, interprétation physique, raisonnements énergétiques associés
- NB : la distinction atténuation / absorption ne semble pas être au pgm (j'en ai parlé)
- demander à un.e étudiant.e OEM transverse dans plasma peu dense, avec énoncé
- demander à un.e étudiant.e OEM dans métal BF (i.e. loi ohm réelle valide), effet peau

Programme de colle S21 : lundi 25 - vend 29 mars

Ondes chap. 4 Ondes linéaires, dispersion, absorption (Cours et exos)

- méthode générale a été appliquée en cours, mais TD pas encore fait, être indulgent sur la vitesse d'exécution
- insister sur situations où l'équation d'onde n'est pas d'Alembert
- un.e étudiant.e au moins doit (cours ou exo) passer de l'écriture complexe d'une "pseudo-OPPH" à son écriture en réel
- pas prioritaire d'établir les équations de couplage et l'équation d'onde : les donner et en tirer les conséquences physiques. L'établissement des ces équations peut être rejeté en fin d'exo
- dispersion, absorption, vitesse phase et groupe, interprétation physique, raisonnements énergétiques associés
- OPPH à vecteur d'onde complexe : "pseudo-OPPH", savoir proposer une écriture par coeur en complexe
- NB : la distinction atténuation / absorption ne semble pas être au pgm (j'en ai parlé)
- demander à un.e étudiant.e OEM transverse dans plasma peu dense, avec énoncé
- demander à un.e étudiant.e OEM dans métal BF (i.e. loi ohm réelle valide), effet peau

 

Ondes chap.3 : OEM dans le vide (Cours et exos)

- Demander à un.e étudiant.e démo structure OEM dans vide (trièdre, rapport des normes, relation dispersion). Démo à faire dans le cas d'une OEM polarisée rectilignement (sinon trop compliqué)
- Demander à un.e étudiant.e aspects énergétiques OPPH pour aboutir à la relation entre Poynting et uem : interprétation physique + relier une valeur numérique de puissance surfacique à l'amplitude du champ E + la relier à un débit de photons
- Demander de reconnaître (par coeur sans justification) un état de polarisation après avoir donné l'écriture mathématique

 

Ondes chap.2 : ondes sonores dans fluides (Exos)

Programme de colle S20 : lundi 18 - vend 22 mars

nous n'avons pas encore fait d'exercices pour les chap. 2 et 3,
mais exos possibles, à bien guider

Ondes chap. 4 Ondes linéaires, dispersion, absorption (Cours)

- Demander à un.e étudiant.e de passer de l'écriture complexe d'une "pseudo-OPPH" à son écriture en réel
- le reste du cours n'a pas encore été traité

 

Ondes chap.3 : OEM dans le vide (Cours et exos)

- Demander à un.e étudiant.e démo structure OEM dans vide (trièdre, rapport des normes, relation dispersion). Démo à faire dans le cas d'une OEM polarisée rectilignement (sinon trop compliqué)
- Demander à un.e étudiant.e aspects énergétiques OPPH pour aboutir à la relation entre Poynting et uem : interprétation physique + relier une valeur numérique de puissance surfacique à l'amplitude du champ E + la relier à un débit de photons
- Demander de reconnaître (par coeur sans justification) un état de polarisation après avoir donné l'écriture mathématique

 

Ondes chap.2 : ondes sonores dans fluides (Cours et exos)

- demander à un.e étudiant.e démo d'Alembert 1D, après avoir linéarisé les 3 équations. Doit pouvoir être fait sans énoncé
- NB1 : pour linéariser la déf du coeff de compressibilité (déf à partir de V ou rho, peu importe), je demande aux étudiants de faire Taylor-Young sur rho(P) (S est constante) autour de la situation d'équilibre (P0,S0). De nombreuses versions (livres, cours) me semblent physiquement et mathématiquement très contestables sur ce calcul
- NB2 : la démo "en lagrangien", à partir du mouvement d'une particule de fluide, sera traité en exo
- Ecriture cpx OPPH
- demander à un.e étudiant.e la correspondance entre opérateurs diff et opérateurs cpx (utilisation nabla comme moyen mnémotechnique)
- notion impédance vue uniquement pour OPPH en cpx (pas pour OPP seules)
- demander à un.e étudiant.e démo expression impédance
- Aspects énergétiques : demander l'ensemble des relations par coeurs, puis application à OPPH + interprétation de l'expression de la puissance surfacique par analogie avec phénomènes convectifs ("l'onde transporte de l'énergie")
- Tuyaux sonores pas vraiment au programme, mais ça peut tomber

 

Ondes chap.1 : ondes de d'Alembert (Exos)

- ondes sonores dans solide (modèle continu tout de suite, pas de passage micro->macro et d'approximation continue "en cours de route")
- d'Alembert par coeur (1D seulement pour l'instant, pas laplacien), expression célérité par coeur
- savoir que phénomène décrit est forcément réversible
- savoir que célérité ondes varie comme raideur/inertie
- retrouver ordre de grandeur du module d'Young à partir du modèle microscopique des chaînes d'atomes liés par des ressorts, l'ordre de grandeur des interactions atomiques étant connu
- Corde libre et fixées à ses deux extrémités : savoir retrouver les modes par une méthode graphique, mais aussi par calcul purement mathématique
- Corde de Melde : par le calcul, interprétation : existence d'un phénomène de résonance quand la fréquence d'excitation est une fréquence propre
- exos : attention, rien n'a encore été fait sur réflexion-transmission. Pourquoi pas en exo, mais partir du principe que les étudiants sont vierges sur ce sujet pour le moment

Programme de colle S19 : lundi 11 - vend 14 mars

Ondes chap.2 : ondes sonores dans fluides (Cours)

- demander à un.e étudiant.e démo d'Alembert 1D, après avoir linéarisé les 3 équations. Doit pouvoir être fait sans énoncé
- NB1 : pour linéariser la déf du coeff de compressibilité (déf à partir de V ou rho, peu importe), je demande aux étudiants de faire Taylor-Young sur rho(P) (S est constante) autour de la situation d'équilibre (P0,S0). De nombreuses versions (livres, cours) me semblent physiquement et mathématiquement très contestables sur ce calcul
- Ecriture cpx OPPH
- demander à un.e étudiant.e correspondance entre opérateurs diff et opérateurs cpx (utilisation nabla comme moyen mnémotechnique)
- Impédance : définition, utilité et conditions de validité
- aspects énergétiques : formules et interprétations physiques (aucune démo) : pas encore de calculs avec OPPH
- la suite du cours n'a pas encore été traitée : HPgm de colle

 

Ondes chap.1 : ondes de d'Alembert (Cours et exos)

- demander à un.e étudiant.e démo ondes sonores dans solide (modèle continu tout de suite, pas de passage micro->macro et d'approximation continue "en cours de route")
- d'Alembert par coeur (1D seulement pour l'instant, pas laplacien), expression célérité par coeur
- savoir que phénomène décrit est forcément réversible
- savoir que célérité ondes varie comme raideur/inertie
- demander à un.e étudiant.e de retrouver ordre de grandeur du module d'Young à partir du modèle microscopique des chaînes d'atomes liés par des ressorts, l'ordre de grandeur des interactions atomiques étant connu
- Corde libre et fixées à ses deux extrémités : savoir retrouver les modes par une méthode graphique, mais aussi par calcul purement mathématique
- Corde de Melde : par le calcul, interprétation : existence d'un phénomène de résonance quand la fréquence d'excitation est une fréquence propre
- exos : attention, rien n'a encore été fait sur réflexion-transmission. Pourquoi pas en exo, mais partir du principe que les étudiants sont vierges sur ce sujet pour le moment

 

Optique ondul chap.4 : Michelson (Exos)
pour compléter la colle si besoin, mais pas le coeur du programme de colle

Programme de colle S18 : lundi 04 - vend 08 mars

Ondes chap.1 : ondes de d'Alembert (Cours)

- demander à un étudiant la démo de d'Alembert sur la corde vibrante
- NB : je fais ici le choix de ne pas faire apparaître les équations de couplage, je n'introduis donc pas la "projection verticale de la tension du brin de droite sur la brin de gauche"
- d'Alembert par coeur (1D seulement pour l'instant, pas laplacien), expression célérité par coeur
- savoir que phénomène décrit est forcément réversible
- savoir que célérité ondes varie comme raideur/inertie
- demander à un étudiant de retrouver ordre de grandeur du module d'Young à partir du modèle microscopique des chaînes d'atomes liés par des ressorts, l'ordre de grandeur des interactions atomiques étant connu
- demander à un étudiant démo ondes sonores dans solide (modèle continu tout de suite, pas de passage micro->macro et d'approximation continue "en cours de route")
- Solutions OP, et OPH
- Définitions : relation de dispersion, vitesse de phase (AUCUN exemple traité)
- CHAPITRE PAS terminé

 

Optique ondul chap.4 : Michelson (Cours et exos)

- Point de vue perso, utilisé en cours : sur le schéma "réel" de l'interféromètre, les RL doivent être dessinés colinéaires aux axes des bras. Les angles entre RL et normales aux miroirs (pour calcul ddm) ne doivent être dessinés que sur les schémas équivalents
- deux types de schémas équivalents :
    -- celui avec une source "primaire" et les deux miroirs en lame d'air ou coin d'air
    -- celui avec deux sources secondaires cohérentes, les miroirs n'apparaissent plus
- à demander à un étudiant : calcul p(M) dans plan focal lentille CV de projection (avec les deux schémas équivalents possibles)
- à demander à un étudiant (ddm par coeur ici) exploitation expression ddm : allure figure interférence, ordre décroît quand on s'écarte du centre de l'écran, rayon des anneaux, faire rentrer les anneaux pour tendre vers le contact optique, que voit-on en lumière blanche ? + réglages des faisceaux !
- à demander à un étudiant : calcul ddm en coin d'air (en l'assimilant à lame d'air d'épaisseur variable), les RL arrivant avec une incidence normale sur le coin, puis exploitation : allure figure interférence, expression interfrange, écarter les franges pour approcher le contact optique, que voit-on en lumière blanche + réglages des faisceaux !

Programme de colle S17 : lundi 12 - vend 16 février

Optique ondul chap.4 : Michelson (Cours)

- Point de vue utilisé en cours : sur le schéma "réel" de l'interféromètre, les RL doivent être dessinés colinéaires aux axes des bras. Les angles entre RL et normales aux miroirs (pour calcul ddm) ne doivent être dessinés que sur les schémas équivalents
- deux types de schémas équivalents :
    -- celui avec une source "primaire" et les deux miroirs en lame d'air ou coin d'air
    -- celui avec deux sources secondaires cohérentes, les miroirs n'apparaissent plus
- à demander à un.e étudiant.e : calcul p(M) dans plan focal lentille CV de projection en utilisant schéma avec sources secondaires (calcul dans le cas lame d'air seule PAS ENCORE traité)
- toute la suite du chapitre n'a PAS ENCORE traité, et est donc hors programme de colle
- vidéo illustrant le cours (présente également tous les réglages du Michelson) :
https://www.youtube.com/watch?v=WxUIiStThU0

 

Optique ondul chap.3 : Trous Young, élargissement spatial et spectral de la source (Cours et exos)

- demander à un.e membre du trinôme : démo expression ordre p(M) trous Young dans conditions std, puis allure éclairement sur écran (numérotation des franges)
- demander à un.e membre du trinôme : démo expression ordre p(M) trous Young dans conditions Fraunhofer
- Effet de l'introduction d'une lame de verre
- la généralisation au cas des fentes est issue de l'observation expérimentale
- Comparaison avec l'expérience : enveloppe de diffraction (différence trous / fentes)
- effet déplacement spatial de la source
- Cas du doublet spatial a été traité
- Cas du doublet spectral a été traité
- Source spatialement large et spectre large traité : calcul intégral complet a été fait
- critère brouillage doit pouvoir aussi être énoncé par coeur avec Δp (signification de "Δ" doit être claire)
- Cas lumière blanche : prédire l'odg du nombre de franges visibles, notion de spectre cannelé, dénombrement (en un point de l'écran) des cannelures et valeurs des longueur d'ondes éteintes
- réseau plan : expression ddm, montage expérimental (conditions Fraunhofer), minimum de déviation

 

Optique ondul chap.2 : Superposition d'ondes (Cours)

 

Optique ondul chap.1 : Modèle scalaire (Cours)

Programme de colle S16 : lundi 05 - vend 09 février

Optique ondul chap.3 : Trous Young, élargissement spatial et spectral de la source (Cours et exos)

- TD sera fait mardi, mais on peut déjà poser des exos (bien guider)
- demander à un.e membre du trinôme : démo expression ordre p(M) trous Young dans conditions std, puis allure éclairement sur écran (numérotation des franges)
- demander à un.e membre du trinôme : démo expression ordre p(M) trous Young dans conditions Fraunhofer
- Effet de l'introduction d'une lame de verre
- la généralisation au cas des fentes est issue de l'observation expérimentale
- Comparaison avec l'expérience : enveloppe de diffraction (différence trous / fentes)
- effet déplacement spatial de la source
- Cas du doublet spatial a été traité
- Cas du doublet spectral a été traité
- critère brouillage (cas doublets) doit pouvoir aussi être énoncé par coeur avec Δp

- Source spatialement large et spectre large PAS ENCORE traité
- cas lumière blanche : PAS ENCORE traité
- Young en conditions de Fraunhofer PAS ENCORE traité, ne pas poser de cas avec lentilles.
- réseau plan : PAS ENCORE traité

 

Optique ondul chap.2 : Superposition d'ondes (Cours)

- demander à un(e) étudiant(e) de refaire la démo mettant en évidence les différentes conditions nécessaires à la réalisation d'interférences (avec énoncé)
- ils doivent aussi pouvoir les énoncer par coeur
- attention aux pb de vocabulaire : DeltaPhi = "différence de retard de phase" (au point M ? en S à l'émission ?)

Pour deux ondes :
- ddm, ordre d'interférences
- demander à un(e) étudiant(e) d'établir la formule de Fresnel avec les complexes (en supposant donc les deux sources cohérentes), après que la cohérence des deux sources (secondaires nécessairement) a été affirmée
- critère milieu frange brillante, milieu frange sombre
- Pour N ondes avec ddm en progression arithmétique : diagramme de Fresnel n'est plus au programme, calcul math à la place (avec énoncé détaillé)

 

Optique ondul chap.1 : Modèle scalaire (Cours)

- écriture math d'une onde monochromatique (ne pas porter son attention sur l'amplitude, uniquement sur la phase), vocabulaire "retard de phase"
- interroger au moins un(e) étudiant(e) sur la notion de train d'onde : sinus limité dans le temps, retard de phase à l'émission est aléatoirement distribué, pas de corrélation avec le train suivant. Lien en odg avec largeur pic en fréquence
- train d'onde = modèle pour source quasi-monochromatique (raie), mais peut-être utilisé pour des raisonnements qualitatifs (ou d'odg) dans le cas de spectres larges
- Déf éclairement, pourquoi un carré ? pourquoi une moyenne ? (se contenter d'une comparaison entre temps caractéristique, notion filtrage passe-bas)
- cohérence spatiale n'est pas au programme, il s'agit juste de savoir que deux points d'une source émettent des trains d'onde dont les retards de phase n'ont aucun lien entre eux
- Définition chemin optique à partir de la durée propagation (c'est son intérêt fondamental, l'expression fonction de indice et distance a été dém ensuite)
- expression chemin optique en fonction distance parcourue dans milieu homogène (le cas général, indice non-uniforme a été vu, mais pas essentiel)
- expression donnant l'évolution du retard de phase au cours de la propagation en fonction du chemin optique (par coeur, éventuellement démo, mais pas essentiel)
- Th. Malus (admis) à énoncer en précisant bien qu'il ne faut pas de diffraction "en route"
- traduction du stigmatisme en optique ondulatoire

Programme de colle S15 : ludni 29 - vend 02 février

Optique ondul chap.2 : Superposition d'ondes (Cours)

- demander à un(e) étudiant(e) de refaire la démo mettant en évidence les différentes conditions nécessaires à la réalisation d'interférences (avec énoncé)
- ils doivent aussi pouvoir les énoncer par coeur
- attention aux pb de vocabulaire : DeltaPhi = "différence de retard de phase" (au point M ? en S à l'émission ?)
- la suite du cours est Hpgm, pas encore traitée

 

Optique ondul chap.1 : Modèle scalaire (Cours)

- écriture math d'une onde monochromatique (ne pas porter son attention sur l'amplitude, uniquement sur la phase), vocabulaire "retard de phase"
- interroger au moins un(e) étudiant(e) sur la notion de train d'onde : sinus limité dans le temps, retard de phase à l'émission est aléatoirement distribué, pas de corrélation avec le train suivant. Lien en odg avec largeur pic en fréquence
- train d'onde = modèle pour source quasi-monochromatique (raie), mais peut-être utilisé pour des raisonnements qualitatifs (ou d'odg) dans le cas de spectres larges
- Déf éclairement, pourquoi un carré ? pourquoi une moyenne ? (se contenter d'une comparaison entre temps caractéristique, notion filtrage passe-bas)
- cohérence spatiale n'est pas au programme, il s'agit juste de savoir que deux points d'une source émettent des trains d'onde dont les retards de phase n'ont aucun lien entre eux
- Définition chemin optique à partir de la durée propagation (c'est son intérêt fondamental, l'expression fonction de indice et distance a été dém ensuite)
- expression chemin optique en fonction distance parcourue dans milieu homogène (le cas général, indice non-uniforme a été vu, mais pas essentiel)
- expression donnant l'évolution du retard de phase au cours de la propagation en fonction du chemin optique (par coeur, éventuellement démo, mais pas essentiel)
- Th. Malus (admis) à énoncer en précisant bien qu'il ne faut pas de diffraction "en route"
- traduction du stigmatisme en optique ondulatoire

 

EMag chap.8 : Induction (Cours et exos)

- révisions PCSI
- ARQS magnétique : MAmpère comme en statique, puis validité loi des noeuds
- demander à un(e) étudiant(e) la démo justifiant de négliger le courant de déplacement
- Attention : seule la version de Faraday de PCSI est au programme de spé (i.e. flux à travers une surface délimitée par un circuit filiforme). Un contour de Faraday immatériel n'est pas explicitement au programme
- les courants de Foucault n'ont donc pas été traités en cours
- Coeff d'inductance : définition et intérêt, L dans cas solénoïde, énergie magnétique (bobine seule, et bobines couplées)
- (la demo de l'expression du couple de Laplace sur cadre rectangulaire est HPgm de colle)

 

EMag chap.7 : Magnétostatique (Cours et Exos)

- Déterminations de B avec Ampère, nbeux exemples traités
- rappel : courant 2D hors programme, donc donner suffisamment d'indications si apparaissent dans un exo
- dipôle magnétostatique
- Forcément poser à un(e) étudiant(e) le calcul du rapport gyromagnétique (atome H cas classique)
- ordre de grandeur par analyse dim : magnéton Bohr
- moment magnétique volumique max d'un aimant, actions subies par un dipôle placé dans champ ext (formules doivent être données, l'effet du couple doit pouvoir être justifié via la formule)