SUJETS PROPOSES POUR 1996

LECONS DE PHYSIQUE

1. Conservation de la quantité de mouvement, du e moment cinétique et de l'énergie en mécanique des systèmes. Exemples et applications. (M ou P ou ler CU)

2..Bilans de quantité de mouvement, de moment cinétique et d'énergie pour un système ouvert en mécanique. (M ou P ou ler CU)

3. Travail d'un système de forces. Théorème de l'énergie cinétique. Energie mécanique. Exemples et applications. (M ou P ou ler CU)

4.Contact entre deux solides. Frottement de glissement. Exemples. (M ou P ou ler CU)

5..Caractère non galiléen du référentiel terrestre. Conséquences. (PCSI ou ler CU)

6.Mouvement d'un solide autour d'un axe fixe. Equilibrage statique et dynamique. Exemples. ( 1er CU)

7 Effets gyroscopiques en physique macroscopique et microscopique. (ler CU)

8..Utilisation des lois de conservation dans le problème à deux corps. Applications (gravitation, champ de force coulombien). (MPSI, PCSI ou ler CU)

9..Principes fondamentaux de la cinématique --relativiste. Durée propre. Longueur propre. (ler CU)

10..Collisions de particules en relativité. Exemples. (ler CU)

11. Mouvement d'une particule chargée dans un champ magnétique indépendant du temps. Applications. (ler CU)

12..Statique des fluides. Applications. (M ou P)

13..Description cinématique d'un fluide en mouvement. Exemples. (M ou P)

l4.Equation d'Euler. Relation de Bernoulli. Applications. (M ou P)

15. Modèle du gaz parfait. Interprétations cinétiques .-la pression et de la température. Limitations du modèle. (NPSI, PCSI ou ler CU)

16..Premier principe de la thermodynamique : énergie interne. Conséquences. (MPSI ou PCSI ou ler CU)

17. acteur de Boltzmann. Applications. (ler CU)

18..Exemples simples de phénomènes irréversibles; bilans d'entropie. (NPSI ou ler CU)

19. Interprétation statistique de l'entropie. (ler CU)

20. Application des deux premiers principes de la thermodynamique au fonctionnement des machines thermiques. (MPSI ou PCSI ou ler CU)

21..Evolution et condition d'équilibre des systèmes thermodynamique: potentiels thermodynamiques. (ler CU)

22.,-Etude thermodynamique d'un système constitué par un corps pur sous plusieurs phases. (PCSI ou ler CU)

23..Etude d'un phénomène de transport: conduction thermique ou diffusion de particules au choix. (ler CU)

24.Mécanisme de la conduction électrique dans les métaux. Loi d'Ohm. Effet Hall. Applications. (PCSI ou ler CU)

25. Approximation dipolaire pour un système de charges en électrostatique. Applications. (ler CU)

26. Energie électrostatique. (M ou P ou ler CU)

27..Forces de Laplace. Travail des forces de Laplace. Applications. (M ou P ou ler CU)

28..Champs magnétiques créés par des courants permanents. Propriétés et applications.

Mou Pou ler CU)

29..Dipôles magnétiques. Aspects macroscopique et microscopique. (P ou ler CU)

30..Induction électromagnétique. Applications. (on pourra se limiter au cas d'un circuit mobile soumis à un champ magnétique statique B ou au cas d'un ircuit fixe dans un champ B non permanent). (M ou P ou ler CU)

31.. Système de deux circuits filiformes dans l'approximation des régimes quasi-permanents: inductance mutuelle, inductance propre. Aspects énergétiques. (M ou P ou 1 er CU)

32..Energie électromagnétique; vecteur de Poynting; densité d'énergie électromagnétique. Les milieux diélectriques et magnétiques sont exclus de l'étude. (M ou P ou ler CU)

33..Propriétés et applications du rayonnement dipolaire électrique. (M ou P)

34..Exemples simples de phénomènes de propagation unidimensionnels. Ondes progressives, ondes stationnaires. Aspects énergétiques. (ler CU)

35. Etats de polarisation des ondes électromagnétiques planes monochromatiques se propageant dans le vide. Mise en évidence. (P)

36. Paquets d'ondes planes. Propagation dans un milieu dispersif ; vitesse de phase, vitesse de groupe. Exemples. (P ou ler CU)

37..Notion sur les processus microscopiques de polarisation des milieux diélectriques en régime statique. (P)

38..Etude macroscopique de la polarisation, du champ électrique E et du vecteur D dans les milieux diélectriques. (P)

39. Réflexion et réfraction d'une onde électromagnétique monochromatique plane à la surface de séparation entre deux milieux diélectriques linéaires homogènes isotropes. (ler CU)

40..Dispersion et absorption d'une onde électromagnétique plane. Modélisation microscopique. (P)

41..Effet de peau. Réflexion des ondes électromagnétiques planes à la surface d'un milieu conducteur. (M ou P ou ler CU)

42..Etude macroscopique de l'aimantation, du champ magnétique B et du vecteur H dans les milieux magnétiques. (P)

43..Ferromagnétisme. Applications. (P)

44..Notion de rayon lumineux. Principe de Fermat. Conséquences. (M ou P ou ler CU)

45..Miroir plan. Miroirs sphériques. Applications. (M ou P ou ler CU)

46. Etude d'un instrument d'optique au choix (lunette astronomique, télescope, appareil photographique, microscope ... ). (ler CU)

47. Interférence de deux ondes en optique. Notion de cohérence. (M ou P ou ler CU)

48. Franges d'égale inclinaison. Applications. (ler CU)

49. Diffraction de Fraunhofer. Applications. (P ou ler CU)

50..Réseaux plans en optique. (P)

51. Oscillations forcées. Résonance. Exemples. (NTSI ou PCSI ou ler CU)

52. Circuits à amplificateur opérationnel rétroaction et stabilité. Exemples. (M ou P)

53..Exemples de montages amplificateurs à circuit intégré linéaire ; caractérisation et limitations. (ler CU)

54..Exemples de systèmes couplés : oscillateurs e mécanique classique ; systèmes à deux états en mécanique quantique. (ler CU)

55. Exemples d'effets de non linéarité sur le comportement d'un oscillateur. (MPSI ou ler CU)

56. Le photon. Energie et quantité de mouvement. - (1er CU)

57. Relation de Louis de Broglie. Applications. 1er CU

58..Quantification de l'énergie des atomes. -(Ier CU)

59. Puits de potentiel : exemples et applications en physique quantique. (ler CU)

60..Effet tunnel. Applications. (ler CU)

61..Absorption, émission spontanée ou induite du rayonnement: coefficients d'Einstein. Applications. (ler CU)

RAPPORT SUR LES LEÇONS DE PHYSIQUE

établi par

Mme ARTRU, MM. BARRAT, DETTWILLER, GARING, LE QUÉAU, LOGEAIS et

VECCHIATO

Comme chaque année, le jury a eu le plaisir d'entendre de bonnes leçons, présentées avec clarté et conviction au niveau scientifique requis. En moyenne, on constate un net progrès dans la cohérence des exposés, par rapport aux années précédentes. Cependant, beaucoup de leçons restent malheureusement de qualité insuffisante. Ainsi, il apparaît encore que la m2Citrise des notions au programme demande une préparation sérieuse et soutenue, mais néanmoins réalisable et très enrichissante.

Le but de ce rapport est d'aider et d'encourager les futurs candidats dans leur entraînement. Il ne prétend pas être exhaustif ; il complète ceux des années précédentes. Nous redonnons d'abord quelques idées générales, puis nous livrons quelques commentaires particuliers sur les leçons.

Idées générales

Éléments d'évaluation

L'agrégation étant un concours de recrutement d'enseignants, l'épreuve de leçon contrôle les aptitudes du candidat à réaliser un cours, sur une partie donnée d'un programme. Nous rappelons ci-dessous les principales qualités indispensables à une leçon, et qui jouent un rôle important dans sa notation.

Cohérence logique

D'abord, on attend du contenu d'une leçon qu'il soit empreint de rigueur et cohérent logiquement, un auditoire attentif supportant mal un exposé mal organisé et peu convaincant. Le jury pénalise donc les contradictions, les lacunes, les définitions " circulaires ", etc.. Il est sensible aussi à la construction de la leçon, qui se traduit par un plan clair, où l'ench2cinement des parties obéit à un fil conducteur visible - et ne donne pas d'idées fausses ; par exemple, un sous-paragraphe qui donne une loi générale ne doit pas se trouver placé dans un paragraphe traitant d'un cas particulier. Enfin, les mots utilisés doivent être précis. Le cas échéant, leur définition doit être spécifiée, et utilisée de manière invariable sur la durée de l'exposé.

Contenu physique

La cohérence de la présentation étant acquise, il convient de se rappeler qu'il s'agit d'une leçon de physique, et non pas de techniques mathématiques.

Les calculs ne sont donc pas une fin en soi : ils doivent servir à la compréhension des phénomènes étudiés. À titre exceptionnel, dans une leçon au contenu abondant, certains peuvent être omis et les résultats présentés sur transparents, après que les équations de départ et la méthode utilisée ont été clairement présentées ; le temps ainsi gagné doit permettre d'approfondir la discussion physique des conséquences de ce calcul pour le phénomène étudié. Dans la leçon LP35 par exemple, pourquoi chercher l'équation cartésienne de l'ellipse décrite par le champ électrique ou magnétique d'une onde monochromatique, si l'on n'utilise plus cette équation par la suite ? Il suffit alors d'invoquer l'étude des courbes de Lissajous, en signalant qu'elles sont déjà connues par leurs applications en électronique ; cela laisse plus de temps pour approfondir la discussion physique des phénomènes de polarisation.

La physique étant une science expérimentale, on ne peut se limiter à l'étude théorique ou à la modélisation mathématique : il faut en tester les prédictions par des expériences cruciales. Les leçons ont souvent manqué de cette confrontation avec l'expérience, qu'elle soit directe (dans un but de vérification) ou indirecte (au travers des applications concrètes), avec des valeurs numériques ou des ordres de grandeur. En particulier, quand le mot " applications " figure dans le titre de la leçon, on ne peut se contenter de les énumérer sommairement dans les cinq dernières minutes, et le jury ne peut accepter que la leçon dure moins que le temps imparti.

Plan

Rappelons que le jury n'attend pas de plan type préétabli, pour accorder une excellente note à une leçon donnée. Tout candidat qui présente, de façon correcte et sans perte de temps, pendant toute la durée de la leçon, des idées intéressantes et bien en rapport avec le sujet, se verra attribuer une excellente note quel que soit son plan - pour peu que celui-ci soit cohérent du double point de vue de la logique et de la physique. Si le thème est trop vaste pour être complètement traité en 50 minutes, le candidat annonce dès le début ce qu'il choisit de traiter et ce qu'il laisse de côté ; le jury ne contestera pas son choix, tant que l'exposé donne une idée consistante et représentative du sujet.

Mise en valeur du sujet

Après avoir délimité le champ de son exposé, l'enseignant doit prendre soin de motiver son auditoire, afin d'éveiller son intérêt pour le sujet traité : cela fait partie de l'aptitude à transmettre les connaissances. L'introduction est censée répondre à ce souci : elle permet de décrire le sujet abordé, de le situer parmi les connaissances acquises, de poser les problèmes que l'on souhaite élucider (et ceux que l'on va éluder) - ceci pouvant être replacé de façon intéressante dans le contexte historique. Sur ce point, il faut noter une amélioration de la présentation générale des exposés, par rapport aux années précédentes.

Les questions du jury révèlent souvent que les connaissances des candidats sont plus étendues qu'il n'apparaît à l'écoute de leur exposé. Tout se passe comme si ces connaissances n'étaient pas mobilisées, pour laisser place à des présentations convenues reprenant, parfois mot à mot, des chapitres entiers d'ouvrages connus. Le jury rappelle qu'il est sensible au caractère personnel et original des exposés, et qu'il sait saluer comme il convient les candidats qui font preuve de courage et de lucidité. A contrario, il manifeste moins d'indulgence lorsque ceux-ci " empruntent " à un livre, sans apport personnel, l'intégralité du plan et du contenu d'une leçon, et que la séance de questions en révèle l'incompréhension.

Applications

Autant que possible, la présentation d'applications doit répondre à un double but illustrer le fonctionnement du formalisme ou des outils théoriques développés dans le cours de l'exposé, mais aussi étudier une utilisation ou un phénomène intéressant en lui-même. Dans le choix des applications traitées, la réflexion et la culture personnelles des candidats peuvent s'exprimer. Trop souvent, hélas, les applications présentées ne sont que des exercices stéréotypés ou triviaux, de peu d'intérêt concret, et qui ne montrent pas la fécondité de la méthode mise en oeuvre ! Dans la leçon LPI par exemple, la conservation de l'énergie est rarement illustrée avec d'autres systèmes qu'un pendule simple ou une masse suspendue à un ressort, pour lesquels la mise en équation directe (par le théorème de la résultante ou du moment cinétique) est aussi rapide, ce qui ne montre pas l'intérêt de cette loi de conservation. En profitant du fait que cette leçon est située au niveau NW, PC ou 1" CU, il serait beaucoup plus fécond d'étudier des systèmes plus complexes et tirés d'exemples naturels (voir l'exemple proposé dans le commentaire LPI).

Expériences

Chaque fois que c'est possible, le jury souhaite que des expériences de cours illustrent la leçon. Leur but n'est pas le même que dans un montage : il ne s'agit que d'expériences de démonstration, sans étude quantitative. Elles ne doivent pas être dénigrées pour autant : en fait, on attend que leur discussion qualitative soit exploitée au maximum, en montrant l'influence de tous les paramètres pertinents. La réflexion physique s'accompagne également d' " expériences de pensée ", qui permettent d'élaborer des raisonnements fructueux, voire de faire émerger des théorèmes importants. Il convient de ne pas confondre celles-ci avec des expériences réelles, soumises aux imperfections des dispositifs expérimentaux

Présentation

La qualité de la présentation joue un rôle important dans la transmission des connaissances.

Le candidat doit s'adresser à un auditoire ; cela ne lui permet pas de lire constamment ses notes, et encore moins de les recopier.

La leçon simulant un cours, on ne peut malheureusement pas mettre une bonne note à un candidat qui présente une conférence sans plan visible, en n'écrivant au tableau que quelques bribes, comme certains l'ont fait pour la leçon LP 1 9.

L'élocution doit être fluide et correcte (attention à l'abus de sigles, ou aux liaisons impropres - du genre " cela va-t-être égal " !). Le jury accepte volontiers quelques maladresses ou hésitations de la part d'un candidat qui expose sans lire ses notes ; il apprécie sa force de conviction, sans la confondre avec de l'assurance mal placée - et donc irritante.

Le rythme doit être relativement soutenu : il n'est pas acceptable que des parties importantes du sujet soient sacrifiées, faute de temps, si le reste de la leçon a été traité trop lentement.

Rappelons que si on projette une photocopie d'un document, on s'expose à devoir répondre à des questions sur toutes les informations scientifiques qu'il contient.

Conclusion de la leçon

Il est préférable qu'elle ne se limite pas à un simple résumé des résultats de la leçon'; elle doit aussi montrer quels progrès dans la compréhension ont été accomplis, quelles conséquences théoriques ou pratiques peuvent en être retirées, quelles nouvelles questions ont surgi entre-temps... Ceci vise aussi à maintenir la motivation de l'auditoire, dans la perspective des cours à venir.

Préparation

La réalisation d'une leçon qui satisfait tous ces critères requiert une préparation et un entraînement spécifiques. On ne peut réussir à présenter de façon solide et convaincante un sujet sur lequel on n'a pas réfléchi sérieusement avant l'épreuve.

Certains sujets sont fréquemment mal connus des candidats, et conduisent trop souvent à des leçons d'une grande pauvreté. Un gros effort doit être entrepris, notamment en mécanique classique (pour les leçons LP 1-4, 6, 8 en particulier), au sujet des concepts de base de la thermodynamique (LP 15-17, 19), et en optique géométrique (LP 45-46, et 49 au sujet de l'emploi des lentilles).

Il serait bon que les candidats mettent à profit leur travail de préparation pour se livrer à une réflexion personnelle, sur des exemples ou des phénomènes choisis par eux, indépendamment des cas classiques traités par les ouvrages - au moins pour quelques leçons. Cet objectif, ambitieux, permettrait d'acquérir l'autonomie intellectuelle nécessaire pour enseigner de façon dynamique, mais aussi pour répondre aux questions posées par les étudiants (et dont les réponses ne figurent pas forcément dans les livres...

Commentaires particuliers sur les leçons proposées

Les numéros sont ceux de la liste des leçons de la session 1996.

LPI . On peut citer en application le fait que, dans le système Terre - Lune (idéalisé en supposant la Lune à symétrie sphérique et l'ensemble isolé), l'action de la Lune entrai7ne la diminution du moment cinétique propre de la Terre et sa précession ; de la conservation du moment cinétique, se déduit l'augmentation du paramètre de l'orbite lunaire et une faible contribution à la rotation de sa ligne des noeuds.

LP4. Il convient de préciser que, si un mouvement de pivotement (resp. de roulement) est possible autour d'un axe, le moment de pivotement (resp. de roulement) est nul, si on néglige les frottements de pivotement (resp. de roulement).

LP8 . L'introduction, dès le début de la leçon, du mouvement d'une particule fictive ne fait souvent qu'embrouiller l'exposé ; il suffit de montrer que l'expression des lois de la mécanique dans le référentiel barycentrique fait appar2Citre la masse réduite, et conduit à une équation différentielle (qu'il est inutile d'interpréter) pour le vecteur position relative r. Il faut montrer comment interviennent les lois de conservation, au moins pour la quantité de mouvement, le moment cinétique et l'énergie mécanique.

LPI6. Il importe de s'assurer que les éléments utilisés pour construire cette leçon (énergie mécanique, travail des forces de pression, etc.) sont bien compatibles avec les lois élémentaires de la mécanique.

LP 1 8. Une liste des causes d'irréversibilité est bienvenue. Pour l'illustrer, on n'a que l'embarras du choix, tout en veillant à ce que la difficulté des situations envisagées soit progressive ; le candidat peut facilement exprimer sa réflexion personnelle par des exemples originaux. Il est dommage d'oublier de montrer, au passage, que la création d'entropie fixe le signe de certaines constantes, comme la conductivité thermique.

LP20. Il n'est pas nécessaire qu'un cycle soit parcouru de façon réversible pour qu'il soit représentable sur un diagramme (penser à un cycle d'hystérésis par exemple) ; il suffit simplement que les variables d'état macroscopiques soient définies tout au long des transformations.

LP21. La leçon permet d'introduire et d'utiliser les potentiels thermodynamiques Fo = U - ToS et Go = U - ToS + poV, et non pas seulement les fonctions caractéristiques F et G.

Les contraintes imposées aux systèmes étudiés doivent être réalistes. Il est par exemple sans intérêt de faire une étude théorique d'un système évoluant à entropie constante s'il est impossible de donner un exemple concret d'une telle évolution.

Certains candidats ont appliqué les résultats de cette leçon à l'étude d'une évolution isotherme et isobare d'un système siège d'une réaction chimique. Ils n'ont malheureusement pas utilisé, en général, le bon critère. Le sens d'évolution dépend en effet du signe de A,G et non de celui de A,GO(T). En particulier, pour connaître le signe de A,G, il est nécessaire de préciser, en plus de la température, les valeurs d'autres paramètres intensifs tels que les fractions molaires des différentes espèces chimiques...

LP22. L'étude des changements d'état ne doit pas être limitée à la définition de la chaleur latente et à l'établissement de la relation de Clapeyron. On attend la discussion de la stabilité des différentes phases. Cette leçon peut être complétée par des ouvertures à d'autres types de transitions que celles entre états solide, liquide et vapeur.

LP23. À propos de la diffusion de la matière (loi de Fick), il faut distinguer nettement transport convectif et transport diffusif

LP24. Trop peu de candidats réalisent que la relation j = ro v est une définition de la vitesse d'ensemble v, plutôt que de j. Par ailleurs, trop de candidats se figurent que le modèle de Drude est une description suffisante de la réalité microscopique.

LP29. Il convient d'expliquer, dans cette leçon, que les courants électriques ne sont pas les seules sources de champ magnétique.

LP36. Avant de s'intéresser à la vitesse de groupe, il faut introduire le problème que pose la relation omega(k), en ce qui concerne la propagation dans un milieu dispersif

LP44. Il est bon d'expliquer comment on est conduit à ne rechercher les courbes de chemin optique stationnaire que parmi les lignes brisées, et de souligner que le principe de Fermat ne fait que sélectionner les trajectoires possibles pour la lumière - sans préciser comment la.répartition du flux s'effectue entre elles.

LP45. Les constructions géométriques de l'optique de Gauss ne sont cohérentes que si elles sont effectuées sur un schéma où l'échelle est infiniment dilatée perpendiculairement à l'axe optique - ce qui ne conserve pas les angles. Dans ce cas, le miroir sphérique doit être représenté par son schéma conventionnel et non par un arc de cercle.

Noter que la mention des conditions de Gauss ne figure pas dans le titre, et que d'intéressantes propriétés peuvent être montrées en dehors de ces conditions.

La présentation de cette leçon sans expériences a été sanctionnée.

LP50. Le calcul de la différence de phase entre les ondes qui interfèrent doit être justifié avec soin. Il faut également expliquer le calcul de l'amplitude diffractée lorsqu'on prend en compte la largeur finie des " traits " du réseau.

LP60. Il existe, pour l'effet tunnel, d'autres applications que la microscopie et l'émission alpha : il y en a aussi en physique de la matière condensée (les diodes tunnel, les super-réseaux, l'effet Josephson ... ).

Commentaires sur les modifications de titres de leçons pour 1997

Certains titres de leçons ont été modifiés afin de mieux orienter les candidats ; nous précisons ci-dessous les raisons de ces changements (en utilisant la numérotation de 1996).

LP7 . On souhaite que l'exposé se place d'emblée dans le cadre de l'approximation gyroscopique ; l'intérêt porte essentiellement sur les applications.

LP46. Il faut montrer nettement comment les lois de l'optique permettent de comprendre avec précision le fonctionnement et les caractéristiques d'un instrument d'optique ; on ne peut pas se contenter d'un exposé qui ressemble à une notice " grand public ".

LP47. C'est la notion de cohérence que l'on doit expliciter ; il faut dépasser nettement l'étude de la superposition de deux ondes monochromatiques.

Par ailleurs, d'autres modifications de la liste des leçons répondent à l'introduction des nouveaux programmes des classes préparatoires de deuxième année. Enfin, certains intitulés reprennent des thèmes d'anciennes leçons, mais sous une forme adaptées à l'évolution de l'enseignement en premier cycle universitaire.