DLL Physique

C’est le moment d’y toucher !

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Le Discovery Learning Programme de Physique regroupe une sĂ©rie de manipulations individuelles sur lesquelles les groupes d’étudiants travaillent en alternance. Le parc des expĂ©riences Ă  disposition permet l’organisation d’un programme adaptĂ© aux besoins des sections. Il permet par exemple d’aborder des sujets tels que:

  • Introduction Ă  la physique expĂ©rimentale et aux problĂ©matiques de la mĂ©trologie
  • Physique du bĂątiment
  • Physique des transports
  • Ecologie
  • Physique atomique et accĂ©lĂ©rateurs de particules
  • Biophysique
  • MicroĂ©lectronique
  • Energies renouvelables

Le parc d’expĂ©riences actuel est mis Ă  jour et complĂ©tĂ© en fonction des nouvelles demandes pour rĂ©pondre au mieux aux attentes des diffĂ©rentes sections.

 

Le systĂšme Ă©tudiĂ© dans cette expĂ©rience est un disque pouvant tourner autour de son axe vertical. Son mouvement est dĂ©crit par l’angle de rotation Θ. Il est soumis Ă  des forces de frottement, produites par un frein magnĂ©tique, que l’on suppose de type visqueux. Il peut ĂȘtre excitĂ© par une force extĂ©rieure produite par un moteur Ă©lectrique. On obtient des oscillations libres ou forcĂ©es que l’on peut analyser sur des tracĂ©s enregistrĂ©s par une acquisition des donnĂ©es.

Le soleil est une source d’énergie pratiquement inĂ©puisable. L’apport solaire directe peut atteindre jusqu’à 1000 W/m2 Ă  la surface de la terre. Une maniĂšre possible d’exploiter cette Ă©nergie est de la convertir en Ă©lectricitĂ© au moyen de capteurs photovoltaĂŻques composĂ©s de semi-conducteurs pn.

Dans ce module, les Ă©tudiants analysent le fonctionnement de diffĂ©rents capteurs en silicium monocristallin, polycristallin et amorphe. Ils analysent les caractĂ©ristiques I/V et le maximum de puissance Ă©lectrique et leur changement en fonction de l’intensitĂ© lumineuse et de la longueur d’onde de la lumiĂšre.

Une pile Ă  combustible convertit de l’hydrogĂšne et de l’oxygĂšne en eau en utilisant l’énergie de la rĂ©action pour produire de l’électricitĂ©. Dans cette expĂ©rience, les Ă©tudiants analysent le fonctionnement de piles Ă  combustible avec Ă©lectrolyte polymĂšre en mesurant leurs performances: puissance maximale, rendement. Ils Ă©tudient la production du combustible hydrogĂšne par Ă©lectrolyse de l’eau. Ainsi, ils peuvent en dĂ©duire le rendement global du cycle complet de production d’énergie Ă©lectrique par le procĂ©dĂ©Ì Ă©lectrolyse + pile Ă  combustible.

Cette expérience permet de voir une application pratique des cours de base de thermodynamique.

On Ă©tudie ici le cycle thermodynamique de Stirling. On relĂšve graphiquement les cycles pression-volume. On mesure le rendement d’un moteur Ă  air chaud pour diffĂ©rents rĂ©gimes de rotation. On Ă©tudie ensuite les rendements d’une machine frigorifique puis d’une pompe Ă  chaleur en fonction de la tempĂ©rature.

Lorsqu’un solide, qui ne peut pas se dĂ©placer, est soumis Ă  un systĂšme de contraintes extĂ©rieures, il rĂ©pond Ă  cette sollicitation en se dĂ©formant. Pour de faibles contraintes, la dĂ©formation est instantanĂ©e, proportionnelle Ă  la contrainte et revient Ă  zĂ©ro lorsque la contrainte est supprimĂ©e. C’est la dĂ©formation Ă©lastique.

L’anĂ©lasticitĂ© est une dĂ©formation rĂ©versible mais elle n’est pas linĂ©airement proportionnelle Ă  la contrainte et dĂ©pend du temps selon un certain temps de relaxation. Ce temps de relaxation peut ĂȘtre mesurĂ© en produisant des vibrations pĂ©riodiques dans l’échantillon et en mesurant la dĂ©croissance logarithmique de l’amplitude de vibration, c.-Ă -d. le coefficient d’amortissement. Dans cette expĂ©rience on mesure le module Ă©lastique dynamique et le coefficient d’amortissement lors de la relaxation de Snoek (diffusion du C dans le Nb) en fonction de la tempĂ©rature.

L’interfĂ©romĂ©trie est l’étude et l’utilisation du phĂ©nomĂšne d’interfĂ©rence dĂ» aux propriĂ©tĂ©s ondulatoires de la lumiĂšre. Le phĂ©nomĂšne d’interfĂ©rence se produit lorsque deux ou plusieurs oscillations cohĂ©rentes (de mĂȘme frĂ©quence et de phase relative fixe) coexistent dans l’espace et dans le temps, et se superposent. L’interfĂ©romĂštre de Michelson se base sur la sĂ©paration en deux du faisceau lumineux d’origine par un « beam splitter Â» et l’utilisation de miroirs pour recombiner les rayons. Cette expĂ©rience permet d’un part de mesurer assez prĂ©cisĂ©ment la longueur d’onde de la lumiĂšre produite par le laser et ensuite de mesurer le phĂ©nomĂšne de magnĂ©tostriction sur un barreau magnĂ©tique

Le but de cette manipulation est de se familiariser avec quelques propriĂ©tĂ©s des matĂ©riaux magnĂ©tiques, et en particulier avec le cycle d’hystĂ©rĂšse et ses grandeurs caractĂ©ristiques. L’hystĂ©rĂšse magnĂ©tique apparaĂźt dans les matĂ©riaux ferromagnĂ©tiques et elle rend compte des pertes d’énergie qui apparaissent lors d’un cycle magnĂ©tique. Le cycle d’hystĂ©rĂšse illustre la relation existant entre l’aimantation ou l’induction magnĂ©tique et le champ magnĂ©tique appliquĂ©. On effectue ici diffĂ©rentes mesures en utilisant un transformateur. On peut changer les matĂ©riaux du circuit magnĂ©tique et Ă©tudier l’hystĂ©rĂšse lorsqu’on travaille en circuit magnĂ©tique ouvert ou fermĂ©.

Cette expĂ©rience permet de visualiser un faisceau Ă©lectronique dans un champ Ă©lectromagnĂ©tique. Elle permet donc de dĂ©terminer la charge spĂ©cifique e/m de l’électron Ă  partir des mesures du rayon de l’orbite circulaire d’un faisceau d’électrons dans un champ magnĂ©tique produit par des bobines d’Helmoltz. Cette expĂ©rience permet Ă©galement de visualiser la force de Lorentz sur une charge Ă©lectrique.

Les applications des rayons X sont nombreuses, tant en physique qu’en biologie ou en mĂ©decine. Une introduction Ă  la physique du rayonnement X est donc indispensable pour tout Ă©tudiant qui entreprend des Ă©tudes scientifiques. Cette manipulation traite de l’origine des rayons X, de leur production et de leur interaction avec la matiĂšre.

Les expĂ©riences proposĂ©es sont celles de la diffraction et de l’absorption des rayons X. DiffĂ©rents matĂ©riaux monocristallins et polycristallins et poudres sont mis Ă  disposition.

Le vide est nĂ©cessaire dans une grande majoritĂ© d’expĂ©riences en physique. Ses applications sont multiples depuis les vaisseaux spatiaux jusqu’à la fabrication des Ă©lĂ©ments microĂ©lectroniques sous vide. La technique du vide est devenue une vĂ©ritable discipline industrielle, dont bĂ©nĂ©ficient largement les chercheurs et les techniciens de laboratoire.

Dans cette expĂ©rience les Ă©tudiants se familiarisent d’abord avec le fonctionnement des Ă©lĂ©ments principaux du vide tels que les pompes, les vannes, les manomĂštres. Ils dĂ©terminent  le dĂ©bit effectif (cinĂ©tique de pompage) et la pression limite d’une pompe Ă  palette et d’une pompe Ă  diffusion. Ils apprennent Ă  calibrer une jauge de Pirani pour l’air et pour l’hĂ©lium, au moyen du manomĂštre Kammerer.

Cette expĂ©rience permet d’étudier le diagramme P-T de l’azote et en particulier de dĂ©terminer son point triple. Un bac thermostatĂ© Ă  double parois est rempli en azote.  Le systĂšme de pompage permet de rĂ©gler la pression tandis qu’un deuxiĂšme rĂ©servoir Ă  azote permet de rĂ©gler la tempĂ©rature du bac . Le systĂšme permet de relever Ă  la main quelques points sur les courbes de sublimation, de vaporisation et de fusion et de dĂ©terminer leur point d’intersection: le point triple.

L’évaporation d’élĂ©ments ou de composĂ©es chimiques est nĂ©cessaire pour la dĂ©position de couches minces. Dans cette expĂ©rience, on propose d’utiliser l’effet Joule pour le chauffage d’un creuset dans lequel on a posĂ©  des mĂ©taux tels que l’or ou l’argent. Ces couches minces seront utilisĂ©es pour fabriquer un lame semi transparente et une cellule solaire basĂ©e sur le principe de la barriĂšre de Schottky .

Contact

 

Daniele Marie

https://people.epfl.ch/daniele.mari


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