DLL Physique

C’est le moment d’y toucher !

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Le Discovery Learning Programme de Physique regroupe une série de manipulations individuelles sur lesquelles les groupes d’étudiants travaillent en alternance. Le parc des expériences à disposition permet l’organisation d’un programme adapté aux besoins des sections. Il permet par exemple d’aborder des sujets tels que:

  • Introduction à la physique expérimentale et aux problématiques de la métrologie
  • Physique du bâtiment
  • Physique des transports
  • Ecologie
  • Physique atomique et accélérateurs de particules
  • Biophysique
  • Microélectronique
  • Energies renouvelables

Le parc d’expériences actuel est mis à jour et complété en fonction des nouvelles demandes pour répondre au mieux aux attentes des différentes sections.

 

Le système étudié dans cette expérience est un disque pouvant tourner autour de son axe vertical. Son mouvement est décrit par l’angle de rotation Θ. Il est soumis à des forces de frottement, produites par un frein magnétique, que l’on suppose de type visqueux. Il peut être excité par une force extérieure produite par un moteur électrique. On obtient des oscillations libres ou forcées que l’on peut analyser sur des tracés enregistrés par une acquisition des données.

Le soleil est une source d’énergie pratiquement inépuisable. L’apport solaire directe peut atteindre jusqu’à 1000 W/m2 à la surface de la terre. Une manière possible d’exploiter cette énergie est de la convertir en électricité au moyen de capteurs photovoltaïques composés de semi-conducteurs pn.

Dans ce module, les étudiants analysent le fonctionnement de différents capteurs en silicium monocristallin, polycristallin et amorphe. Ils analysent les caractéristiques I/V et le maximum de puissance électrique et leur changement en fonction de l’intensité lumineuse et de la longueur d’onde de la lumière.

Une pile à combustible convertit de l’hydrogène et de l’oxygène en eau en utilisant l’énergie de la réaction pour produire de l’électricité. Dans cette expérience, les étudiants analysent le fonctionnement de piles à combustible avec électrolyte polymère en mesurant leurs performances: puissance maximale, rendement. Ils étudient la production du combustible hydrogène par électrolyse de l’eau. Ainsi, ils peuvent en déduire le rendement global du cycle complet de production d’énergie électrique par le procédé́ électrolyse + pile à combustible.

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

On étudie ici le cycle thermodynamique de Stirling. On relève graphiquement les cycles pression-volume. On mesure le rendement d’un moteur à air chaud pour différents régimes de rotation. On étudie ensuite les rendements d’une machine frigorifique puis d’une pompe à chaleur en fonction de la température.

Lorsqu’un solide, qui ne peut pas se déplacer, est soumis à un système de contraintes extérieures, il répond à cette sollicitation en se déformant. Pour de faibles contraintes, la déformation est instantanée, proportionnelle à la contrainte et revient à zéro lorsque la contrainte est supprimée. C’est la déformation élastique.

L’anélasticité est une déformation réversible mais elle n’est pas linéairement proportionnelle à la contrainte et dépend du temps selon un certain temps de relaxation. Ce temps de relaxation peut être mesuré en produisant des vibrations périodiques dans l’échantillon et en mesurant la décroissance logarithmique de l’amplitude de vibration, c.-à-d. le coefficient d’amortissement. Dans cette expérience on mesure le module élastique dynamique et le coefficient d’amortissement lors de la relaxation de Snoek (diffusion du C dans le Nb) en fonction de la température.

L’interférométrie est l’étude et l’utilisation du phénomène d’interférence dû aux propriétés ondulatoires de la lumière. Le phénomène d’interférence se produit lorsque deux ou plusieurs oscillations cohérentes (de même fréquence et de phase relative fixe) coexistent dans l’espace et dans le temps, et se superposent. L’interféromètre de Michelson se base sur la séparation en deux du faisceau lumineux d’origine par un « beam splitter » et l’utilisation de miroirs pour recombiner les rayons. Cette expérience permet d’un part de mesurer assez précisément la longueur d’onde de la lumière produite par le laser et ensuite de mesurer le phénomène de magnétostriction sur un barreau magnétique

Le but de cette manipulation est de se familiariser avec quelques propriétés des matériaux magnétiques, et en particulier avec le cycle d’hystérèse et ses grandeurs caractéristiques. L’hystérèse magnétique apparaît dans les matériaux ferromagnétiques et elle rend compte des pertes d’énergie qui apparaissent lors d’un cycle magnétique. Le cycle d’hystérèse illustre la relation existant entre l’aimantation ou l’induction magnétique et le champ magnétique appliqué. On effectue ici différentes mesures en utilisant un transformateur. On peut changer les matériaux du circuit magnétique et étudier l’hystérèse lorsqu’on travaille en circuit magnétique ouvert ou fermé.

Cette expérience permet de visualiser un faisceau électronique dans un champ électromagnétique. Elle permet donc de déterminer la charge spécifique e/m de l’électron à partir des mesures du rayon de l’orbite circulaire d’un faisceau d’électrons dans un champ magnétique produit par des bobines d’Helmoltz. Cette expérience permet également de visualiser la force de Lorentz sur une charge électrique.

Les applications des rayons X sont nombreuses, tant en physique qu’en biologie ou en médecine. Une introduction à la physique du rayonnement X est donc indispensable pour tout étudiant qui entreprend des études scientifiques. Cette manipulation traite de l’origine des rayons X, de leur production et de leur interaction avec la matière.

Les expériences proposées sont celles de la diffraction et de l’absorption des rayons X. Différents matériaux monocristallins et polycristallins et poudres sont mis à disposition.

Le vide est nécessaire dans une grande majorité d’expériences en physique. Ses applications sont multiples depuis les vaisseaux spatiaux jusqu’à la fabrication des éléments microélectroniques sous vide. La technique du vide est devenue une véritable discipline industrielle, dont bénéficient largement les chercheurs et les techniciens de laboratoire.

Dans cette expérience les étudiants se familiarisent d’abord avec le fonctionnement des éléments principaux du vide tels que les pompes, les vannes, les manomètres. Ils déterminent  le débit effectif (cinétique de pompage) et la pression limite d’une pompe à palette et d’une pompe à diffusion. Ils apprennent à calibrer une jauge de Pirani pour l’air et pour l’hélium, au moyen du manomètre Kammerer.

Cette expérience permet d’étudier le diagramme P-T de l’azote et en particulier de déterminer son point triple. Un bac thermostaté à double parois est rempli en azote.  Le système de pompage permet de régler la pression tandis qu’un deuxième réservoir à azote permet de régler la température du bac . Le système permet de relever à la main quelques points sur les courbes de sublimation, de vaporisation et de fusion et de déterminer leur point d’intersection: le point triple.

L’évaporation d’éléments ou de composées chimiques est nécessaire pour la déposition de couches minces. Dans cette expérience, on propose d’utiliser l’effet Joule pour le chauffage d’un creuset dans lequel on a posé  des métaux tels que l’or ou l’argent. Ces couches minces seront utilisées pour fabriquer un lame semi transparente et une cellule solaire basée sur le principe de la barrière de Schottky .

Contact

 

Daniele Marie

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