LEÇONS DE PHYSIQUE 2000

1. Conservation en mécanique du point et du solide de la quantité de mouvement, du moment cinétique et de l'énergie. Exemples et applications. (MP, PC ou I" CU)

2. Contact entre deux solides. Frottement de glissement. Exemples. (PC ou 1" CU)

3. Caractère non galiléen du référentiel terrestre. Conséquences. (PCSI ou 1" CU)

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

5. Approximation gyroscopique. Effets dans les domaines macroscopique et microscopique. (le, CU)

6. Utilisation des lois de conservation dans le problème à deux corps. Applications (gravitation- champ de force coulombien.(MPSI. PCSI ou I" CU)

7. Principes de la cinématique relativiste. Durée propre. Longueur propre. (1 " CU)

8. Collisions en relativité restreinte : application à l'étude des novaux et des particules élémentaires. (le- CU)

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

10. Description cinématique d'un fluide en mouvement. Exemples. (PC)

11. Modèle de l'écoulement parfait d'un fluide ; validité. Equation d'Euler. Théorèmes de Bernoulli. Applications. (PC)

12. Notion de viscosité d'un fluide. Ecoulements visqueux. nombre de Reynolds. Exemples simples. (PC)

13. Equations de bilan en mécanique des fluides exemples et applications (PC ou 1"CIJ)

14. Modèle du gaz parfait. Interprétations cinétiques de la pression et de la température. Limitations du modèle. (MPSI, PCSI)

15. Premier principe de la thermodynamique : énergie interne. Conséquences. (MPSI, PCSI)

16. Facteur de Boltzmann. Applications. (1 "CU)

17. Exemples de phénomènes irréversibles ; bilans d'entropie. (MP ou 1" CU)

18. Notion d'état microscopique. Interprétation statistique de l'entropie. Exemples. (I" CU)

19. Application des deux premiers principes de la thermodynamique au fonctionnement des machines thermiques. (MPSI, PCSI ou 1" CU)

20. Evolution et condition d'équilibre des systèmes thermodynamiques -. potentiels thermodynamiques. (PC)

21. Etude thermodynamique d'un système constitué par un corps pur sous plusieurs phases. Exemples. (PC 011 I" CU)

22. Rayonnement d'équilibre thermique, Corps noir. Applications (la démonstration de la loi de Planck est exclue). (MP ou I" CU)

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

24. Mécanismes de la conduction électrique. Loi d'Ohm. Effet Hall. Applications. (PCSI ou 1" CU)

25. Exemples de couplage électromécanique -. haut-parleur électrodynamique, moteurs... Bilans énergétiques. (PC, PSI ou I" CU)

26. Utilisation des propriétés de symétrie dans l'étude des champs électromagnétiques. Exemples. (I" CU)

27. Dipôles magnétiques. Aspects macroscopique ci microscopique. (I" CU)

28. Induction électromagnétique. Applications (on pourra se limiter au cas d'un circuit mobile soumis à un champ magnétique statique B et au cas d'un circuit fixe dans un champ B non permanent). (PC ou I" CU)

29. Svstème de deux circuits filiformes dans l'approximation des régimes quasi- permanents .- inductance mutuelle, inductance propre. Aspects énergétiques. (PC ou le' CU)

30. Energie du champ électromagnétique : vecteur de Poynting -, densité d'énergie électromagnétique (les milieux diélectriques et magnétiques sont exclus de l'étude). (PC ou 1" CU)

31. Propriétés et applications du rayonnement dipolaire électrique. (MP, PC)

32. Exemples simples de phénomènes de propagation unidimensionnels. Ondes progressives, ondes stationnaires. Aspects énergétiques. (I" CU)'

33. Chaîne linéaire infinie d'oscillateurs harmoniques. Modes propres. Approximation des milieux continus. (PC ou I" CU)

34. Ondes sonores dans les fluides. Approximation acoustique. Aspect énergétique. (PC OU 1er CU)

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

36. Propagation dans un milieu dispersif : vitesse de phase. vitesse de groupe -. paquets d'ondes planes et évolution. Exemples. (PC ou 1" CU)

37. Notions sur les processus microscopiques de polarisation des milieux diélectriques en régime statique. (I" CU)

38. Etude microscopique de la polarisation du champ électrique E et du vecteur D dans les milieux diélectriques. (I" CU)

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

40. Dispersion et absorption d'une onde électromagnétique plane dans un milieu diélectrique. Modélisation microscopiques (PC)

41. Effet de peau. Réflexion des ondes électromagnétiques planes à la surface d'un milieu conducteur. (MP 011 I" CU)

42. Paramagnétisme. Approche du ferromagnétisme dans l'approximation du champ moven. Température critique. (PC ou 1" CU)

43. Propriétés macroscopiques des corps ferromagnétiques : applications aux circuits magnétiques. (PC)

44. Notion de rayon lumineux. Principe de Fermat. Conséquences. (I" CU)

45. Miroir plan. Miroirs sphériques. Applications. (ler Cu)

46. Application des lois de l'optique à l'étude d'un instrument d'optique an choix (lunette astronomique, télescope, appareil photographique, microscope...). (ler Cu)

47. Obtention d'interférences à deux ondes en optique. Notion de cohérence. (PC ou ler CU)

48. Interféromètres à division d'amplitude. Applications. (I" CU)

49. Diffraction de Fraunhofer. Applications. (I' CU)

50. Réseaux plans en optique. (I" CU)

51. Phénomènes de résonance dans les systèmes linéaires. Exemples. (ler CU)

52. Systèmes bouclés. Transmittance. Stabilité. Application aux asservissements. (PSI ou 1" CU)

53. Exemples de filtres linéaires d'ordre un et deux en électricité. Fonction de transfert et réponse temporelle. Application au filtrage d'un signal périodique. (PSI ou 1" CU)

54. Comportement dynamique des systèmes couplés : oscillateurs à deux degrés de liberté en mécanique classique, systèmes à deux niveaux d'énergie en physique quantique. Analogie et différences. (I" CU)

55. Exemples d'effets de non linéarité sur le comportement d'un oscillateur. (MPSI ou 1" CU)

56. Le photon. Energie et quantité de mouvement. (ler CU)

57. Dualité onde-corpuscule : Relation de Louis de Broglie - inégalités d'Heisenberg. Applications. (l@@ CU)

58. Quantification de l'énergie des atomes. (I" CU)

59. Cohésion de la matière : interaction entre atomes, molécules. ions aspect énergétique. (PC ou 1"CU)

60. Puits de potentiel : exemples et applications en physique quantique. (I" CU)

61. Effet tunnel. Applications. (I" CU)

62. Absorption. émission spontanée ou induite du rayonnement -. coefficients d'Einstein. Applications. (I" CU)

Rapport sur la leçon de Physique

La leçon de physique a pour premier objectif d'apprécier l'aptitude des candidats à construire et à transmettre une argumentation scientifique. Portant sur le programme de premier cycle, elle permet en outre d'évaluer si les candidats ont bien compris et assimilé les notions fondamentales de ce programme. Réussir une leçon de physique suppose à la fois des connaissances scientifiques solides et une réflexion quant à leur hiérarchisation et à la façon de les exposer. Le jury se réjouit de constater que nombre de candidats ont satisfait à ces deux exigences.

Le présent rapport a pour but d'aider les futurs candidats à se préparer à cette épreuve il comporte un certain nombre de remarques générales sur la présentation de la leçon, et quelques commentaires sur la teneur scientifique et les écueils les plus souvent rencontrés dans les différents sujets proposés.

Rappelons d'abord qu'après avoir préparé son exposé pendant quatre heures, le candidat dispose de 50 minutes pour présenter sa leçon. Après l'exposé, le jury pose des questions au candidat pour s'assurer de la bonne compréhension de tel ou tel point et pour évaluer l'étendue de ses connaissances scientifiques. Le jury souligne que, sans être déterminantes, ces questions sont importantes. Pourtant certains candidats les abordent dans un état de démotivation qui leur est préjudiciable. D'autres adoptent une attitude plus que prudente, qui amène le jury à n'obtenir aucune réponse nette aux questions posées. De tels comportements ne sont pas à l'avantage des candidats,

Quelques commentaires d'intérêt général

Lors de chaque leçon, le jury s'attend à se voir délivrer un message dominant (voire deux ou trois, mais certainement pas plus). Durant sa préparation, le candidat doit donc s'efforcer d'identifier le ou les messages qu'il souhaite faire passer. Ces messages doivent constituer la conclusion de la leçon, en lieu et place du sempiternel résumé de l'exposé.

Tous les candidats ont compris qu'un exposé de 50 minutes doit évidemment comporter un plan. Le jury recommande de faire en sorte que ce plan soit visible pendant toute la leçon, soit en l'ayant écrit au préalable au tableau, soit en l'écrivant au fur et à mesure de l'avancement de la leçon. Il ne suffit pas de le montrer un court instant au rétroprojecteur en début d'exposé.

Le ury est très attentif à la façon dont le candidat maîtrise le temps qui lui est imparti. Les exposés trop courts ou trop longs sont à proscrire. Le temps de parole du candidat étant strictement limité à 50 minutes, un exposé trop long se traduit par un déséquilibre entre les différents paragraphes traités. On veillera à ne pas réserver les illustrations expérimentales ou les applications pour les toutes dernières minutes de l'exposé. De façon à aider le candidat à gérer son temps, le jury a l'habitude de le prévenir 5 minutes avant la fin du temps dont il dispose. Certains candidats en déduisent -à tort- qu'ils doivent conclure toutes affaires cessantes, quitte à terminer leur leçon 4 minutes avant la fin. Ce n'est pas non plus une preuve d'une bonne maîtrise de son temps de parole.

Chaque candidat doit se souvenir que le jury, comme un public d'élèves ou d'étudiants, doit être convaincu, voire captivé dans la mesure du possible. C'est pourquoi il évitera d'adopter une voix monocorde ou de parler en regardant systématiquement le tableau. Il s'assurera aussi que son discours reste audible : certains candidats baissent le ton tout au long de la leçon, jusqu'à conclure par un murmure confidentiel. Le jury souhaite aussi que le candidat s'exprime sans lire ses notes, sinon pour vérifier de temps à autre un résultat.

Certains candidats présentent des exposés purement descriptifs, dans lesquels ne figure aucune démonstration. Le jury rappelle que la leçon de physique doit toujours faire apparaître l'argumentation logique correspondant à l'application des lois physiques, et en particulier l'esquisse des principales démonstrations.

Dans un exposé de physique, il ne suffit pas de démontrer correctement une formule. Il faut encore dégager du résultat obtenu des implications et des interprétations physiques. Ces commentaires sont au moins aussi importants que l'obtention de la formule. En revanche il est tout à fait possible de sauter certaines parties techniques de démonstrations, une fois les hypothèses et les méthodes de calcul bien précisées.

Certains candidats utilisent le rétroprojecteur pour présenter une démonstration technique. Sans être a priori hostile à cette méthode, le jury constate que dans bien des cas, elle ne résout rien :si cette démonstration est à la fois réellement indispensable et trop longue pour être présentée au tableau, il faut identifier soigneusement les étapes pertinentes de la démonstration, et penser le transparent de façon à le rendre intelligible, en veillant en particulier à ce qu'il ne soit pas trop chargé. Il faut aussi accorder à ces démonstrations les commentaires qu'on aurait donnés si on les avait effectuées au tableau.

Les transparents peuvent être utilisés avec profit pour présenter des résultats littéraux, un schéma expérimental, une figure complexe ou un tableau de données. Toutefois, ils ne sont réellement utiles que lorsque ces informations sont mieux présentées qu'au tableau. Dans tous les cas, le candidat doit expliquer et commenter ce qui est présenté sur le transparent, ce qui implique de le visionner un temps suffisant pour que le jury ait le temps d'en prendre connaissance.

Le jury apprécie qu'une leçon soit illustrée par une expérience lorsqu'il est possible de le faire. Dans ce cas le dispositif expérimental doit toujours être décrit au préalable, ne serait-ce que succinctement, et les résultats de l'expérience doivent être commentés.

Des ordres de grandeur, des illustrations et des exemples, des applications sont absolument indispensables pour rendre plus concrète l'approche souvent formelle de beaucoup de leçons. Le jury apprécie que les applications présentées soient choisies dans les développements récents de la science et de la technologie, ou dans la vie quotidienne.

Le candidat doit s'efforcer d'utiliser un vocabulaire précis : par exemple dire qu'une grandeur est "constante" ne suffit pas, encore faut-il préciser par rapport à quelle variable. De même on évitera de confondre modèle et théorie, ou principe et résultat admis sans démonstration. Le jury regrette également que certains candidats s'autorisent une expression orale relâchée, multipliant par exemple les liaisons " mal-t-à propos ". Un minimum de soin doit aussi être apporté aux figures dessinées au tableau - deux olives, associées à un système d'axes, ne constituent pas une illustration convaincante du diagramme de rayonnement d'une antenne.

Enfin il est déconseillé de bâtir sa leçon à partir d'un seul ouvrage, fût-il excellent, Les candidats doivent aussi faire preuve d'esprit critique sur le contenu des manuels de cours :tout ce qui est publié n'est pas forcément exempt d'incorrections ou de maladresses.

Commentaires sur le contenu scientifique des leçons

Leçons de mécanique du point et du solide (leçons 1 à 6)

Leçon 2 : Les différents référentiels utilisés doivent être précisés avec soin. Les aspects énergétiques doivent être abordés. L'origine microscopique des forces de frottement mérite d'être évoquée.

Leçon 4 : On ne doit pas consacrer trop de temps au pendule pesant, qui ne constitue pas le centre de la leçon. Les équilibrages statique et dynamique doivent être traités en envisageant leurs conséquences (réaction des paliers).

Leçon 5 : Cette leçon doit comporter une illustration expérimentale. Les applications dans le domaine microscopique doivent être présentées de façon crédible, en particulier la R.M.N., pour laquelle une interprétation quantique peut être donnée.

Leçon 6 : Les applications peuvent ne pas être restreintes au potentiel en 1/r.

Leçons de cinématique et dynamique relativistes (leçons 7 à 9) :

Leçon 7 : Cette leçon est en général trop formelle. Il convient de donner des exemples concrets de dilatation des temps, contraction des longueurs, simultanéité, causalité...

Leçon 8 : Comme le titre l'indique, les applications sont importantes. L'effet Compton ne constitue pas une application à l'étude des noyaux ou des particules élémentaires. Le candidat doit s'efforcer de varier les exemples.

Leçon 9 : Elle doit être traitée en relativité. Le cas d'un champ magnétique non uniforme mérite d'être envisagé, mais il faut alors savoir en expliquer qualitativement les effets (miroir, dérive).

Leçons de mécanique des fluides (leçons 10 à 13)

Ces leçons conduisent très souvent à des exposés très formels, qu'il est indispensable d'illustrer par des (nombreux) exemples concrets et applications.

La distinction entre fluide incompressible et écoulement incompressible n'est pas toujours clairement vue. Enfin il est faux de croire qu'un écoulement dont les lignes de courant sont des droites parallèles est forcément indivergent et irrotationnel.

Leçon 10 : Il faut consacrer du temps à détailler la géométrie des déformations locales dilatation, rotation, cisaillement.

Leçon 12 L'interprétation microscopique des forces de viscosité est souvent sacrifiée.

L'introduction du nombre de Reynolds doit absolument être illustrée dans des cas simples.

Leçon 13 On doit éviter de consacrer trop de temps à des calculs lourds, s'efforcer de présenter les bilans effectués de façon rigoureuse et claire, et en dégager l'intérêt.

Leçons de thermodynamique (leçons 14 à 22) :

Le jury fait remarquer que tous les gaz parfaits ne sont pas monoatomiques. Beaucoup de candidats auraient intérêt à se poser la question de la définition d'un gaz parfait.

Leçon 14 :Dans cette leçon, il faut évidemment distinguer les caractéristiques générales d'un gaz parfait de celles d'un gaz parfait monoatomique. La loi de distribution des vitesses de Maxwell doit être citée et commentée. Enfin, dans le calcul de la pression, est-il vraiment nécessaire de séparer les deux phases d'adsorption et de désorption ?

Leçon 16 :Les fluctuations doivent être évoquées. Beaucoup de candidats confondent probabilité et fonction de répartition (qui met l'accent sur le caractère moyen),

Leçon 17 : Cette leçon ne peut se réduire au calcul de l'entropie créée dans diverses situations abstraites, mais doit détailler les différentes sources de l'irréversibilité et les implications du deuxième principe comme principe d'évolution.

Leçon 18 : Il importe dans cette leçon de bien faire ressortir le passage du microscopique réversible au macroscopique irréversible, à la limite des grands nombres. Les microétats et macroétats doivent être définis avec précision - en particulier savoir si une molécule est à gauche ou à droite dans un volume donné ne définit pas un microétat. Pour bien illustrer la notion d'état microscopique, il est utile de choisir deux exemples, l'un avec des microétats discrets et l'autre avec une distribution continue de microétats.

Leçon 21 : Rappelons que les ordres de grandeur usuels, ainsi que des applications à la vie courante, constituent une partie incontournable de cette leçon.

Phénomènes de transport (leçons 23 et 24) :

Leçon 23 : L'irréversibilité du phénomène doit être clairement dégagée : le calcul de l'entropie créée peut être effectué dans un cas simple, notamment pour la conduction thermique.

Leçon 24 : Adopter une approche hydrodynamique pour décrire la vitesse des porteurs conduit certains candidats à des erreurs. En outre, si l'on utilise le modèle de Drude, on s'efforcera d'en préciser les limites.

Leçons d'électromagnétisme (leçons 25 à 3 1)

Leçon 25 : Il est anormal que certains candidats ne réservent que quelques minutes en fin de leçon aux moteurs, alors que ceux-ci figurent explicitement dans le titre de la leçon.

Leçon 26 On s'efforcera de ne pas se restreindre aux plans de symétrie et d'antisymétrie.

Leçon 29 La force magnétique de Lorentz F = qv^B ne travaillant pas, il faut chercher ailleurs l'origine de l'énergie magnétique.

Leçon 30 : Les régimes transitoires permettent d'illustrer l'intérêt du vecteur de Poynting. La notion de transport d'impulsion par l'onde électromagnétique peut aussi être abordée.

Phénomène de propagation (leçons 2 à 3 6)

Leçon 33 : Il est indispensable de justifier la modélisation harmonique du potentiel d'interaction entre atomes et de préciser les ordres de grandeur des quantités introduites. L'interprétation de la première zone de Brillouin doit être reliée au caractère périodique du système. Enfin on peut aussi tenter une approche énergétique.

Leçon 36 : Une superposition d'un nombre fini d'harmoniques ne permet en aucun cas de définir un paquet d'onde, puisque le phénomène reste périodique. Elle ne peut que constituer un intermédiaire avant le passage à la limite continue, qui doit être étudiée avec soin.

Lorsqu'ils décrivent un paquet d'onde tridimensionnel, beaucoup de candidats oublient que kx, ky,kz et omega sont reliés par la relation de dispersion.

Leçons d'électromagnétisme de la matière (leçons 37 à 43):

Leçon 38 : L'intérêt du vecteur D doit être clairement dégagé, par exemple en discutant son invariance ou non lors de l'introduction d'un bloc de diélectrique entre les lames d'un condensateur en fonction du mode opératoire choisi (à charge ou potentiel constant). Les condensateurs avec diélectriques doivent évidemment être abordés comme application de cette leçon, et la relation C = er Co. doit être justifiée.

Leçon 39 : Lors de l'étude de la réflexion totale, le candidat doit aussi s'intéresser à l'onde évanescente, D'autre part définir le coefficient de transmission en énergie à partir du seul rapport des modules des vecteurs de Poynting moyens conduit évidemment à l'omission du facteur d'obliquité.

Leçon 40 : Dans un diélectrique, l'équation de propagation ne peut être écrite sans précaution : en général la permittivité P, dépend de la fréquence et est complexe. Le modèle de l'électron élastiquement lié ne peut être utilisé sans en discuter les limitations.

Leçons d'optique (leçons 44 à 50) :

Leçon 44 : Cette leçon nécessite d'avoir réfléchi au lien existant entre la notion de rayon lumineux et l'optique ondulatoire.

Leçon 48 : L'interféromètre de Michelson est habituellement présenté dans cette leçon. Rappelons que, si la source est ponctuelle, l'interféromètre de Michelson permet d'observer des interférences non localisées. Dans ce cas deux rayons distincts partant de la source interfèrent -1 on n'est donc pas dans le cadre d'interférence à division d'amplitude. Par conséquent, dans cette leçon, il n'est pas utile de présenter une multitude de schémas illustrant cette situation.

En revanche il est intéressant de montrer que, pour une source large, les interférences se localisent et qu'on a alors bien affaire à des interférences par division d'amplitude. D'une façon générale, le lien fondamental entre l'étendue de la source et la localisation des franges n'est que rarement évoqué.

Pour l'interféromètre de Fabry - Pérot, l'ordre d'interférence y étant a priori élevé, il n'est pas justifié de représenter la fonction d'Airy pour une différence de phase comprise seulement entre 0 et 2n (ou entre -27r et 2n).

Enfin il existe des exemples d'interférences à division d'amplitude qui peuvent être observés sans interféromètre de Michelson ou de Fabry - Pérot.

Oscillateurs (leçons 51 à 55) :

Leçons 52 et 53 : Ces leçons sont souvent présentées de façon beaucoup trop formelle. Dans la leçon 53, on aura intérêt à illustrer concrètement les fonctions d'intégration, de dérivation et de filtrage.

Leçon 54 : Dans la partie relevant de la mécanique classique, il n'est pas utile d'envisager le cas le plus général, l'important étant de dégager les effets physiques avec un minimum de calculs. Les aspects énergétiques méritent d'être considérés. Bien que couramment utilisé comme exemple de système quantique à deux niveaux, l'inversion de l'ammoniac est un exemple délicat, car le terme de couplage y est difficile à interpréter physiquement. On peut trouver d'autres systèmes à deux niveaux, plus simples à présenter.

Leçon 55 : Celle leçon est parfois présentée de façon très abstraite. Par ailleurs on doit s'efforcer de varier les exemples, en tout cas de ne pas les limiter exclusivement à l'électronique.

Physique quantique (leçons 56 à 62)

Leçon 58 -. Le modèle de Bohr ne peut être présenté sans en discuter les limitations.

Leçon 59 : Cette leçon ne doit être ni un catalogue, ni une conférence de vulgarisation, ni une leçon de chimie. On doit impérativement y décrire les origines physiques de la liaison covalente, et en particulier les aspects énergétiques, sans pour autant tomber dans un cours de chimie quantique d'un niveau dépassant totalement celui d'un premier cycle universitaire. On pourra par exemple traiter l'ion H2 . Des liens peuvent être recherchés entre la description microscopique de la matière et ses propriétés macroscopiques (élasticité des solides, tension superficielle, température de changement d'état, ... ).

Leçons 60 et 61 .- Ces leçons conduisent parfois à des calculs très lourds. Afin de les minimiser, dans la leçon 60, on pourra traiter préférentiellement le puits de potentiel infini, et dans la leçon 61, on pourra utiliser des considérations de symétrie.

Leçon 62 : Terminons ce rapport par une note expérimentale. A l'occasion de cette leçon (ainsi que de quelques autres), les candidats présentent souvent l'expérience de résonance optique, dans le sodium, de façon très maladroite : lorsqu'on éteint la première lampe spectrale, il ne faut pas s'attendre à voir la seconde illuminée un temps notablement supérieur à 10-8 s !