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FACULTÉ
DES SCIENCES D’ORSAY
LES PLATEFORMES EXPERIMENTALES EN PHYSIQUE
L3-M1
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(VE RSIO N JE UD I 29 MAI 2014)
PLATEFORMES EXPERIMENTALES EN PHYSIQUE
Les formations en physique à l’Université Paris-Sud, de la Licence au Master, sont largement adossées aux 21 laboratoires de physique. La très grande diversité des thèmes de recherche au sein de ces laboratoires permet ainsi d'offrir un large panel d'enseignements allant de la physique fondamentale à la physique appliquée et aux sciences de l'Ingénieur. La physique expérimentale occupant une large place au centre scientifique d’Orsay depuis sa création en 197, les enseignants-chercheurs ont toujours eu le souci de transférer leur savoir-faire expérimental auprès des étudiants, essence même de la formation universitaire par la recherche. C’est pourquoi Il existe actuellement de nombreuses plateformes expérimentales, souvent partagées par plusieurs filières, voire d’autres composantes comme Polytech, alliant à la fois des expériences classiques, base de la formation, et des expériences originales mettant les étudiants en contact direct avec les dernières avancées scientifiques et technologiques dans des domaines très variés de la physique. Ce document a pour objectif de présenter les différentes plateformes utilisées du L3 et M2 , un autre document sera consacré aux plateformes de L1+L2.
Plateforme Astrophysique
L'Université Paris-Sud 11 dispose de plusieurs dispositifs permettant des observations astronomiques de grande qualité :
Un observatoire astronomique situé sur le campus d'Orsay. La coupole d'astrophysique abrite un télescope de 35cm de diamètre piloté par ordinateur permettant de faire de l'observation visuelle ainsi que de l'imagerie avec la caméra CCD d'ALCOR ou de la spectroscopie ( http://www.ias.u-psud.fr/dole/coupole/)
un ensemble de radiotélescopes (RAMEAU = Réseau d'Antennes Micro-ondes pour l'Enseignement de l'Astrophysique à l'Université Paris Sud 11) observant le ciel à une fréquence de 10 GHz, soit 3 cm de longueur d'onde (http://www.ias.u-psud.fr/dole/rameau/)
Responsable : Hervé Dole, [email protected]
Plateforme Centrale de nanotechnologies.
Responsables : Elisabeth Dufour-Gergam, Guillaume Agnus, François Maillard (IE)
Plateforme Electronique
Responsable : F. Samouth
Plateforme Energie : L’objectif de cette plateforme est d'offrir aux étudiants une première approche concrète des problèmes énergétiques (thermodynamique) et de leur montrer des dispositifs pratiques proches de ce qu'ils rencontreront dans la vie courante et professionnelle.
Responsables : Nicolas VERNIER, Donia BAKLOUTI , Georges GAUTHIER, Guillaume KREBS, [email protected], [email protected], [email protected],
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Plateforme Matériaux
Responsable : P. Lecoeur
La Plateforme Matière Condensée et Matériaux
L’ objectif de cette plateforme est d’offrir un ensemble d’équipements lourds pour l’étude de la matière condensée et des matériaux : interactions RX-matière (4 salles équipées de générateur RX), principes et usages de la RMN (1 salle avec des spectromètres RMN), supraconductivité et magnétisme (1 salle).
Responsables : M. Zeghal et F. Bert, [email protected], [email protected]
La plateforme Mécanique - Matière Molle
Cette plateforme offre un ensemble d’expériences légères permettant d’étudier les propriétés mécaniques macroscopiques (hydrodynamique, élasticité, mécanique des interfaces… ) d’une large variété de systèmes et de matériaux solides, liquides ou viscoélastiques.
Responsable :Yann Bertho, [email protected] Responsable Matière Molle : Anniina Salonen, [email protected]
La plateforme Microscopie Electronique
Responsable : Odile Stephan, Alberto Zobelli
La plateforme Microscopie de champ proche
Cette plateforme a été développée pour introduire auprès des étudiants les techniques expérimentales de champs proches, essentielles en nanosciences .
Responsable : Alexandre Dazzi, [email protected]
Plateforme Optique-Laser
Responsables : Séverine Boye-Peronne, Marion Jacquey
Plateforme Physique Nucléaire
L'objectif de cette plateforme est de proposer aux étudiants des expériences de physique nucléaire qui donnent un aperçu de ce que peut être le travail de recherche en physique nucléaire expérimentale. Le matériel utilisé est celui qu'on trouve auprès des plateformes de mesure actuelles (ALTO, GANIL, ISOLDE...). Plusieurs projets sont proposés, ils ont pour but de mesurer différentes observables fondamentales du noyau (spectre en énergie, spin, corrélation angulaire, demi-vie,...). Les étudiants doivent créer le montage de l'expérience, faire l'acquisition des mesures, analyser les résultats et en présenter une synthèse sous forme de rapport. Ces projets (40h au total) s'étalent sur 4 jours afin de laisser le temps aux étudiants de maîtriser le principe expérimental, et de pouvoir étudier les phénomènes considérés
Responsable : C. Gaulard, [email protected]
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La plateforme Physique Statistique
L’objectif de cette plateforme est de proposer des projets qui donnent un aperçu de ce que peut être le travail d’un expérimentateur en physique. Plusieurs projets sont proposés, abordant différents domaines de la physique (supraconductivité, matière molle, résonance para-électronique, fluctuations…). Les étudiants doivent développer une interface, gérer l'acquisition des mesures, analyser les résultats et en présenter une synthèse (écrite et orale). Ces projets (68h au total) s’étalent sur plusieurs jours, afin de laisser le temps aux étudiants de maîtriser le principe de l’expérience, et de pouvoir étudier les phénomènes considérés.
Responsable : Frédéric Bouquet, [email protected]
Site Web : http://hebergement.u-psud.fr/projetsdephysiquestatistique
Plateforme Plasma:
Responsable : Catherine Krafft
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PLATEFORME ASTRONOMIE
OBJECTIFS ET DESCRIPTION
FILIERES UTILISATRICES
LA PLATEFORME EN IMAGES
La coupole d’Astrophysique
RAMEAU = Le « jardin » des 10 radiotélescopes
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PLATEFORME THERMIQUE-THERMODYNAMIQUE L3
OBJECTIFS ET DESCRIPTION
L’objectif de cette plateforme est de faire découvrir aux étudiants des dispositifs de thermodynamique concrets, de leur apprendre à utiliser les instruments standards qu'ils rencontreront dans leur vie professionnelle et de les sensibiliser aux différents aspects de l’énergie
La liste des expériences proposées est la suivante:
Moteur de Stirling, avec tracé en temps réel du cycle sur le diagramme de Clapeyron et mesure du rendement
Mesure de la pression de vapeur saturante de l'eau en fonction de la température sur la gamme [60°C, 110°C]
Pompe à chaleur, avec calcul de l'efficacité et tracé du cycle sur diagramme de Mollier
Turbine à vapeur.
Echangeurs thermique
Rayonnement du corps noir et diagnostic thermique à l'aide d'une caméra thermique infrarouge
Chauffage solaire
FILIERES UTILISATRICES
L3PAPP, L3TPE, L3PC
Total 2012-2013 : 60 étudiants pour 6530 hTP étudiants Taux d’encadrement : 1 encadrant pour 4 binômes
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LA PLATEFORME EN IMAGES
Panneau Photovoltaïque
Chauffage solaire
Pompe à chaleur
Echangeur de Chaleur
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Turbine Vapeur
Le moteur de Stirling, avec le frein de Prony pour mesurer son rendement
Cycle du moteur enregistré en temps réel
Dispositif utilisé permettant de se placer dans la situation du corps pur avec uniquement de l'eau liquide en contact avec de la vapeur d'eau
Courbe de pression de vapeur saturante de l'eau obtenue, avec test de la loi de Dupré
0 25 50 75 100 125
1.0
1.5
2.0
2.5
Pre
ssio
n (
ba
r)
Volume (cm3)
60 70 80 90 100 110
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
L=A-BT L = 2300J.g-1
Modèle: loi de Dupré
P0
235.7
A/R 4547.4
B/R -1.14
PS (
ba
r)
T (°C)
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PLATEFORME MECANIQUE ET MATIERE MOLLE (PMMM)
OBJECTIFS ET DESCRIPTION :
Cette plateforme offre un ensemble d’expériences légères permettant d’étudier les
propriétés mécaniques macroscopiques d’une large variété de systèmes et de matériaux. Les montages sont actuellement situés dans le bâtiment 470 de la Faculté des Sciences ou au FAST. La plupart seront déplacés dans le futur bâtiment d’enseignement de physique.
Les dispositifs expérimentaux disponibles sont les suivants :
Hydrodynamique
Mesure de débit - 1 poste SalleD214 (Bât470)
Tube de Venturi - 1 poste SalleD214 (Bât470) : variation de pression
Impulsion d'un jet - 1 poste SalleD214 (Bât470) : force exercée par un jet impactant différentes surfaces (plan, hémisphère, ...)
Déversoirs - 1 poste SalleD214 (Bât470)
Visualisation d’écoulements
Mesure de profils de vitesse (tube de Pitot) sillage de cylindre autour d’une aile d’avion, portance, trainée…
Pertes de charge
Milieux poreux - 1 poste SalleD223 (Bât470) : loi de Darcy, loi de Dupuit (digue)
Taylor-Couette - 1 poste FAST : seuil d’instabilité
Viscosimètre - 1 poste SalleD223 (Bât470)
Elasticité
Ondes acoustiques- 1 poste SalleD214 (Bât470) : propagation dans les liquides ou les solides Mesure acoustique de module d’ Young (e.g. aluminium, plexi glass)
Machine de traction- 1 poste SalleD214 (Bât470) : Traction de matériaux solides, polymères et élastomères
Déformation des poutres - 2 postes : flexion
Frottement solide- 2 postes
Effet Janssen -1 poste
Elasticité et Plasticité : traction d’un fil de Cuivre Interfaces
Mesure d’angle de contact statique et dynamique (caméra CCD et traitement d’images)
Mesure de tension superficielle (goutte pendante, anneau de Nouy , loi de Tate)
En projet TP “en construction” (pas encore disponible) : Dispositif de visualisation d’un
écoulement fluide autours d’obstacles (notion de lignes de courants, turbulence, etc).
Demande en cours : Soufflerie Elasticité de mousses solides
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FILIERES UTILISATRICES
Les filières utilisatrices en 2013-2014 sont les licences : L3 Physique et Application, L3 Mécanique, L3 PRO Techniques physiques de l’énergie et le M1 Physique Appliquée et Mécanique.
Nombre total d’étudiants : 210 étudiants Nombre total d’heures étudiants : 2700h en L3 et 800h en M1
Taux d’encadrement :
ILLUSTRATIONS D’EXPERIENCES POSSIBLES
Mesure d’angle de contact avec différents traitements de surfaces
Mesure de la tension superficielle d’un liquide par la méthode de la goutte pendante (b) et montée capillaire (b)
0,0 0,5 1,00,00000
0,00008
0,00016
elo
ng
atio
n [µ
m/m
]
Force applied x Distance from the end
Machine de traction Mesure du coefficient de flexion de l’aluminium
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Mesure de débit Étude de différentes méthodes de mesure de débit en mécanique des fluides basées sur l'équation de Bernoulli: tube de Venturi, divergent, diaphragme, coude, rotamètre (débitmètre à flotteur). Nous comparons les pertes de charges dues aux différents appareils et en déduisons les coefficients de débit et coefficients de perte de charge associés.
Tube de Venturi Étude d'un venturi permettant de mettre en application le théorème de Bernoulli et d'effectuer des comparaisons directes entre les résultats expérimentaux obtenus à l'aide de l'appareil et les prédictions théoriques.
Impulsion d'un jet Étude de la réaction d'un jet permettant de mettre en évidence les forces produites par un jet d'eau venant frapper un obstacle. Nous disposons de quatre types d'obstacles : plaque plane, plaque plane inclinée de 30°, obstacle hémisphérique, obstacle conique.
Déversoirs Étude des déversoirs permettant de mesurer le débit d'eau à l'aide d'une variété de barrages de différentes formes: 2 déversoirs en V, 1 déversoir rectangulaire, 1 déversoir trapézoïdal (Cipoletti), 1 déversoir linéaire charge/débit, 1 déversoir à seuil épais.
Tube de Pitot Mesure de perte de charge le long d'une conduite cylindrique et détermination du profil des vitesses de Poiseuille au moyen d'un tube de Pitot.
Pertes de charge Étude des pertes de charge dans une conduite simple composée de coudes et de raccords en fonction du débit imposé. Nous disposons des conduites suivantes: coude à 90°, coude à 90° avec petit rayon de courbure, coude à 90° à grand rayon de courbure, élargissement, rétrécissement.
Milieux poreux Étude de l'écoulement d'un fluide dans un matériau poreux constitué de billes de verre afin de vérifier la loi de Darcy reliant la vitesse de l'écoulement dans le poreux au gradient de pression appliqué. Étude du flux à travers une digue poreuse (loi de Dupuit).
Mesure de viscosité Mesure de la viscosité de différents fluides complexes à l'aide d'un viscosimètre (Couette cylindrique) et étude de l'évolution de la viscosité avec le taux de cisaillement et la température.
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Taylor-Couette Caractérisation des instabilités primaire et secondaire dans un écoulement de Taylor-Couette (écoulement d'un fluide dans l'inter-espace entre deux cylindres concentriques, en mouvement de rotation relatif). Pour une vitesse de rotation critique, le fluide se structure spécialement : étude du seuil d’apparition de l’instabilité et de la longueur d’onde.
Élasticité Mise en évidence des domaines élastiques et plastiques dans la déformation des matériaux sous contrainte; étude d’une poutre en traction, en flexion et du comportement d’un fil de cuivre juste avant la rupture. Estimation des modules d’Young et coefficients de Poisson de matériaux.
Déformation des poutres Étude de la déformation d'une poutre de section rectangulaire ou de section circulaire en flexion, en torsion ou en traction et détermination du module de rigidité.
Ondes acoustiques Étude de la propagation d'ondes dans les liquides et dans les solides, avec la mise en évidence des ondes S et des ondes P ainsi que le calcul de leurs vitesses de propagation respectives dans différents milieux (eau, dural, plexiglass, etc.).
Frottement solide Étude du frottement solide d’une plaque plan contre un plan (lisse ou rugueux). Mise en évidence de l’influence de la surface de contact et de la force normale sur les coefficients de friction de différents matériaux.
Effet Janssen Étude d’évolution de la pression dans un silo à grains (billes de verre) due à la formation de voûtes. Étude de l’influence de la taille des billes et du diamètre du récipient.
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PLATEFORME MATIERE CONDENSEE ET MATERIAUX
OBJECTIFS ET DESCRIPTION
L’objectif de cette plate-forme est d’offrir un ensemble d’équipements lourds pour l’étude de la matière condensée et des matériaux : interactions RX-matière et études structurales (4 salles équipées de générateur RX), principes et usages de la RMN (avec une salle équipée d’un spectromètre RMN 60 MHz), supraconductivité et magnétisme (1 salle).
Les salles RX sont équipées de
2 générateurs équipés chacun de 2 diffractomètres. 2 générateurs pour l’analyse par fluorescence
2 générateurs basse puissance 1 lecteur numérique de type « image plate »
Les expériences possibles sont
o concernant les interactions rayons X–Matière : Spectre d’émission, Fluorescence X, Diffusion élastique et inélastique des RX, Production des RX
o concernant la RMN : notion de spin, précession de Larmor, transitions quantiques, système à deux niveaux, applications
o concernant l’analyse structurale : méthode des poudres, méthode de Laue …
FILIERES UTILISATRICES
o Au niveau L3 : la spécialisation Physique et Applications, la spécialisation Physique et Chimie
o Au niveau M1 : en physique fondamentale, l’option Structure de la Matière, l’option Supraconductivité et Magnétisme ; en chimie
o Polytech Paris-Sud : PeiP2 (tronc commun, Matériaux), Matériaux 3 (structure), Matériaux 4 (structures, polymères)
Total 2012-2013 : 249 étudiants pour 2530hTP étudiants
Taux d’encadrement : 1 enseignant pour 4 binômes
LA PLATEFORME EN IMAGES
Un des montages RX Le nouveau spectromètre RMN (projet)
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Méthode de Laue pour déterminer l’orientation de monocristaux :
Principe et exemple de cliché
Méthode des poudres pour déterminer une structure cristalline
Principe et spectre obtenu
Fluorescence X : principe et spectre
Spectroscopie RMN :
Exemple de modification des spectres lors de l’étirement d’un élastomère
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PLATEFORME MICROSCOPIE DE CHAMP PROCHE
OBJECTIFS ET DESCRIPTION
Cette plateforme a été développée pour introduire auprès des étudiants les techniques expérimentales de champs proches, essentielles en nanosciences. Avec 5 AFM (Atomic Force Microscopy) et 4 STM (Scanning Tunneling Microscopy), elle permet de visualiser des phénomènes de surfaces et des objets déposés variés : HOPG (highly ordered pyrolytic graphite), nanoparticules d’or déposées, disque dur, bactéries…
Microscope STM (marque Nanosurf)
Microscope AFM (marque Nanosurf)
FILIERES UTILISATRICES
Cette plateforme est utilisée par différentes filières dans les modules relatifs aux Nanosciences (L3 chimie, M1 chimie, M1 PAM, M1 IST, M1 PFON, M1 Matériaux, Polytech
Matériaux , M2 nano..). La durée des séances est typiquement de 4h. Le taux d’encadrement est d’un enseignant pour 4 étudiants
ILLUSTRATIONS D’EXPERIENCES POSSIBLES
Initiation STM et AFM : Les étudiants (2 par appareil) apprennent à utiliser les microscopes sur des échantillons standard (2fois 4h), le but étant qu’ils acquièrent des notions de bases pour être capables d’imager ensuite d’autres échantillons ou de comprendre les images obtenues par de tels procédés.
STM : Apprendre à préparer les pointes STM. Faire une approche sur la surface
Réaliser une image (HOPG) à la résolution atomique en visualisant les densités électroniques des atomes de carbones
Utiliser le mode spectroscopie de courant (I(V)) sur différents échantillons conducteurs Ces analyses vont permettre aux étudiants de mieux comprendre les contraintes liées à la technique de microscopie et les font réfléchir à ce que nous montrent les
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images.
AFM : En mode contact :
Etude de surface de CD, DVD, et HD-DVDpour en mesurer les caractéristiques des disques de stockage (longueur d’onde de la diode laser, capacité de stockage, etc.). Analyse d’une courbe de force, explication des forces mises en jeu dans le mode contact, mise en évidence des forces de capillarités
Mode oscillant : Etude d’une surface d’HOPG et détection d’un feuillet de graphite.
Visualisation de nanoparticules d’or sur cette surface. Etude de marches atomiques de silicium. Localisation de nano-billes de polystyrène et démonstration de la possibilité de déplacer ces billes avec la pointe AFM
AFM avancé : Ces TP permettent aux étudiants d’utiliser l’AFM avec des modes d’analyses
autres que la topographie. En effet, l’AFM est un microscope extrêmement versatile qui peut se transformer en détecteur particulièrement sensible. L’idée est de « fonctionnaliser » la pointe de l’AFM pour que la mesure physique qu’on souhaite réalisée soit traduite en variation de force (détection du magnétisme ou de potentiel électrique ; etc.).
* MFM (Magnetic Force Microscope) Imagerie de piste de disque dur de 1 Go et 10 Go. Analyse des pistes et des données. Relation entre contraste des images et moment magnétique
Disque dur de 1 Go Imagerie magnétique l par analyse de la phase.
* AFMbio : Imagerie de bactéries vivantes en milieu liquide. Apprendre à utiliser l’AFM dans un environnement complexe, le milieu liquide. Illustration : Image de filament de bactéries (Streptomyces) en milieu liquide
* SThM (Scanning Thermal
Microscope) Imagerie de conductivité thermique. Les étudiants utilisent un levier AFM sophistiqué incluant un thermocouple. Ils apprennent à utiliser ce détecteur fragile et étudient différents matériaux composites (verre, polymère) pour mettre en évidence les contrastes thermiques.
Illustration : Surface de fibre de verre (ronds) enrobées
dans de la résine époxy et image de conductivité
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thermique correspondante (bleu isolant).
*Nano-IR (AFM et infrarouge, développé au LCP)
Réalisation d’un spectre IR d’un film mince de polystyrène avec l’AFM et comparaison avec un spectre obtenu par FTIR.
Détection par spectroscopie locale de billes de polystyrène dans un mélange polymère d’époxy-PMMA-polystyrène.
Imagerie chimique pour localiser la distribution des billes dans le mélange polymère. Imagerie d’inclusions lipidiques dans des bactéries (Streptomyces).
a) Image de filament de bactéries Streptomyces en topographie
b) Image d’absorption IR à 1740 cm-1 caractérisant la présence de vésicules de triacylglycérol (matière grasse).
c) Spectres IR, en violet sur une vésicule de graset en vert sur un filament.
a) c)
b)
* Imagerie de phase (Mode phase de l’AFM
oscillant) Initiation à l’imagerie de phase et démonstration
de la complexité des analyses. Lien avec la
réponse mécanique de la surface.
Illustration :
a) b)
a) Image de la surface d’un mélange polystyrène et PMMA.
b) Image de phase caractérisant le PMMA en jaune, le polystyrène en orange et le substrat de silicium en noir
2800300032003400 160017001800
0
50
100
150
200
250
Na
no
IR a
bso
rptio
n
nombre d'onde cm-1
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PLATEFORME ONDES-OPTIQUE ET LASER
PRESENTATION
La plateforme de travaux pratiques Ondes-Optique et Laser propose aux étudiants de la filière Physique Fondamentale 9 manipulations variées pour étudier les propriétés physiques de la lumière, et pour en illustrer de nombreuses applications.
Les montages proposés se divisent en trois catégories :
Ondes (3 TP)
Laser (4 TP)
Physique atomique (2 TP)
LOCAUX :
De manière générale, chaque TP dispose d’une salle spécifique (ou d’une partie d’une très grande salle) qui accueille le matériel nécessaire aux manipulations. (Une exception cependant, les TP polarisation et speckle ont une partie de matériel commun de sorte qu’ils ne peuvent pas actuellement être proposés simultanément). Ces salles sont situées majoritairement au premier étage du bâtiment 470. Au total 8 salles sont dédiées à ces TP pour une superficie totale d’environ 350 m2. Les salles sont équipées pour pouvoir accueillir 4 ou 6 postes (soit 4 à 8 binômes) selon les TP et se répartissent comme suit :
- Effet Zeeman
- Effet Brossel
- Laser à colorant
- Speckle
- Filtrage spatial
- Doublage de fréquence
- Polarisation
- Michelson
- Fabry-Pérot
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TP salle superficie Nb postes
Michelson C105 53 m² 6
Fabry Pérot C107 53 m2 6
Polarisation C104 80m² 6
Speckle C104 80m² 6
Filtrage spatial C118 45 m2 4
Laser à colorant C112 38 m2 4
Doublage de fréquence C4 25 m2 sur 68m²
disponibles 4
Effet Zeeman C4 43 m2 sur 68m²
disponibles 6
Effet Brossel C109 et C110 2x14 m2 2
Objectifs :
- Approche expérimentale d’un problème. Méthodologie générale à la pratique de l’Optique : réalisation d’un montage…
- Formation aux notions d’instrumentation telles que les limitations d’un instruments, l’aquisition d’image/de données, le traitement et l’analyse des données, les incertitudes liées à une mesure
- Le matériel et les manipulations proposés sont modernes pour se rapprocher au mieux de ce que les étudiants feront en stage/thèse.
Modalités : Les séances se déroulent sur 8 heures de 9h à 18h sur toute l’année, chaque étudiant devant effectuer l’ensemble des TP. Les séances se déroulent en général dans une demi-obscurité pour faciliter les réglages optiques. Durant la séance, les étudiants s’appuient sur un polycopié décrivant les diverses étapes de la démarche expérimentale demandée et proposant des exploitations des mesures à réaliser. L’enseignant est là pour guider les étudiants dans la prise en main du matériel et leur donner des pistes de réflexion. Les étudiants rendent à la fin de chaque séance, ou une semaine plus tard un compte-rendu de TP et ils sont évalués à la fois sur leur autonomie/manipulation en séance et sur la qualité de leur compte-rendu.
Salle du TP Fabry Pérot
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Pour les TP mettant en œuvre des sources laser (Doublage de fréquences et Laser à colorant), une information d’une quinzaine de minutes sur la sécurité laser leur est dispensée au préalable sous forme audiovisuelle.
ONDES
TP polarisation
Les étudiants découvrent expérimentalement les notions de polarisation de la lumière, les propriétés des milieux anisotropes et des lames à retard. Plusieurs manipulations sont proposées comme la vérification de la loi de Malus, la mesure de l’angle de Brewster, l’illustration du phénomène de biréfringence à travers quelques exemples et l’observation d’un spectre cannelé.
TP Michelson
Cette séance concerne un TP classique d’illustration d’interférences par division d’amplitude. L’accent est mis sur une approche empirique de la localisation des franges / anneaux d’interférences obtenus avec un lampe spectrale. Dans un deuxième temps, l’interféromètre est utilisé pour initier les étudiants à la spectroscopie par transformée de Fourier. L’interféromètre est alors employé pour réaliser l’analyse spectrale de sources de lumière. La position
d’un des deux miroirs est balayée à l’aide d’un moteur permettant ainsi l’acquisition d’un interférogramme. Les signaux temporels de différentes sources (lumière blanche, lumière blanche filtrée, puis doublet jaune du mercure et raie verte du mercure) sont enregistrés.
TP Fabry-Pérot
Il s’agit d’utiliser un interféromètre de Fabry-Pérot pour mesurer très précisément des fréquences. Deux montages sont étudiés. Le premier FP, à lames fixes, est éclairé par une lampe spectrale à Hg possédant ainsi un large spectre d’émission. La condition d’interférence constructive varie alors en fonction de l’angle d’incidence. Le deuxième montage est constitué d’un FP à épaisseur variable éclairé par un laser He-Ne. Dans ce cas il s’agit d’étudier les facteurs expérimentaux limitant la précision de mesure de fréquence et d’optimiser les réglages pour observer distinctement les modes spectraux du laser.
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LASER
TP laser à colorant
Les étudiants construisent une cavité laser de type incidence rasante mettant en œuvre un réseau et couplée à une cellule à colorant pompée optiquement par un laser YAG pulsé (532 nm). Ils caractérisent l’accordabilité du rayonnement laser ainsi généré et utilisent sa finesse spectrale dans une expérience de résonance optique pour mesurer l’écart en longueur d’onde du doublet jaune du sodium.
TP Speckle
Une approche à la fois qualitative et quantitative est mise en œuvre pour découvrir l’effet de speckle dû à la cohérence de la lumière laser. Il s’agit d’un ensemble d’expériences simples qui permettent d'analyser les contributions des phénomènes physiques à l'origine du speckle. L’enjeu du TP est aussi de montrer comment il est possible d’avoir des informations sur la source ainsi que le diffuseur malgré le caractère aléatoire du speckle. A ces
expériences est associé un aspect traitement du signal.
TP Filtrage spatial Ce TP illustre de façon spectaculaire plusieurs notions étudiées dans le cours d'optique de M1 et relatives à la diffraction et au filtrage des fréquences spatiales dans l’image d’un objet. Les étudiants réalisent des montages de diffraction dans les conditions de Fraunhofer mettant en œuvre des objets modifiant l’amplitude (alternance de zones opaques/transparentes) ou la phase (lame d’indice optique périodiquement variable) d’une onde incidente. En agissant dans le plan de Fourier, ils montrent qu’ils peuvent modifier l’image de ces objets.
TP Doublage de fréquences Les étudiants réalisent au cours de cette séance une belle expérience d'optique non linéaire sur un montage plutôt simple mettant en œuvre une diode laser IR continue fonctionnant à 860 nm et un cristal anisotrope de KNbO3 afin de générer un rayonnement dans le bleu (430 nm). Ils caractérisent les propriétés de l’onde harmonique ainsi générée en terme de polarisation et d’intensité par rapport aux caractéristiques de l’onde fondamentale.
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PHYSIQUE ATOMIQUE
TP Effet Zeeman
Il s’agit de réaliser une expérience similaire à celle réalisée par Zeeman en plongeant l’atome de Cadmium dans un champ magnétique et en observant le déplacement des niveaux d'énergie en fonction de B. L’objectif du TP est de mesurer précisément le magnéton de Bohr et de tracer le diagramme d’énergie des plus bas niveaux de l’atome de Cd. L’interprétation de ces mesures est une illustration directe de la théorie des perturbations étudiée dans le cours de mécanique quantique. Ce TP met en jeu 3 électro-aimant volumineux ainsi que 3 lampes spectrales refroidies à l’azote liquide.
TP Effet Brossel
Les étudiants réalisent ici une belle expérience de physique atomique très proche de celle faite par Jean Brossel. Par des photons ou des champs (radiofréquence ou magnétiques), ils pilotent à volonté le passage d'atomes d'un niveau atomique à un autre et ils caractérisent ces transferts.
EVOLUTIONS/PROJETS
A l’occasion de la mise en place de la nouvelle maquette en 2015, ces expériences seront proposées au niveau M1 Une réflexion sur le contenu pédagogique de chaque expérience est en cours afin de permettre une plus large exploitation des montages existants.
- Le TP Michelson va encore être modernisé et surtout étendu. Un second montage optique de type interféromètre de Michelson auquel on ajouterait un système d’imagerie afin de réaliser un instrument d’imagerie par tomographie à cohérence optique (OCT) est enisagé.
- Le TP polarisation est en cours d’évolution pour offrir plus de possibilités de mesures quantitatives (loi de Malus, Brewster)) et une plus grande versatilité.
- Pour le TP Zeeman il est également prévu un système d’imagerie adéquat pour une meilleure exploitation des données expérimentales.
- Dans le TP Filtrage spatial il est envisagé de remplacer l’objet de phase actuellement utilisé (réseau de phase engendré par la propagation d’une onde acoustique ultra-sonore dans une cuve contenant du cyclohexane) par un dispositif plus récent de type SLM (Spatial Light Modulator).
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RESPONSABLES – EQUIPE ENSEIGNANTE- SOUTIEN TECHNIQUE
La responsabilité de cette plateforme est assurée par
Séverine Boyé-Péronne : [email protected] pour les montages suivants : Laser à colorant- Filtrage spatial - Doublage de fréquence - Effet Brossel
Marion JACQUEY : [email protected] pour les montages suivants : Polarisation - Fabry-Pérot – Michelson – OCT – Speckle - Effet Zeeman
L’équipe enseignante comprend environ 20 personnes avec un équilibre entre enseignants chercheurs titulaires et moniteurs. Chaque TP a un enseignant chercheur de référence qui assure la formation des nouveaux intervenants.
Les étudiants travaillant sur ces montages sont nombreux et le matériel est très sollicité. La mise en place, les réparations et les ajustements sont fréquents tout au long de l’année. La maintenance des postes demande un effort financier et humain important. Actuellement, le soutien technique est assuré à la fois par les deux responsables des TP et par l’équipe technique du magistère qui comporte deux personnes : Bertrand Pilette, responsable des services, et Christophe Lafarge, mécanicien.
UTILISATEURS
Les expériences présentées précédemment ont été élaborées et sont gérées par le Magistère de Physique d’Orsay. Néanmoins l’ensemble des montages est ouvert aux autres formations de l’université Paris Sud qui souhaitent en profiter.
Voici le recensement des utilisateurs à la rentrée 2013 : L3 Physique Fondamentale Effectifs : 120 étudiants
8h par séance, 12 étudiants/séance
M1 Physique Fondamentale Effectifs : 110 étudiants 8h par séance, 8 étudiants/séance
L3 parcours double diplôme Effectif : ~40 étudiants Resp : Hervé Bergeron TP concernés : Polarisation, Fabry-Pérot, Speckle, Effet Zeeman 4h/séance (de 18h à 22h, compté double en eqTD)
M1 Physique appliquée et mécanique (PAM) : UE Systèmes optiques associés aux lasers Resp : S. Boyé-Péronne 20 à 40 étudiants TP Laser à colorant, TP Doublage de fréquence 8h par séance, 8 étudiants/séance
L3 Physique Appliquée UE méthode expérimentale Resp : Olivier Guilbaud Effectif : 80 étudiants TP Polarisation, TP Michelson 4h /séance avec 8 étudiants /séance
L3 Physique Chimie : Effectif : 50 étudiants ?? Resp : N. Vernier TP polarisation 4 h/séance avec 12 étudiants/séance
Polytech Resp : B. Viaris de Lesegno Effectifs : 30-40 étudiants TP réseaux, TP Fabry Pérot 4h/séance
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PLATEFORME PHYSIQUE STATISTIQUE
OBJECTIFS ET DESCRIPTION
L’objectif des projets est de faire découvrir aux étudiants les différentes facettes de la conception et de l’exploitation des montages expérimentaux comme ceux développés en laboratoire. Les étudiants doivent développer une interface, gérer l'acquisition des mesures, analyser les résultats et en présenter une synthèse (écrite et orale). Ces projets s’étalent sur plusieurs jours, afin de laisser le temps aux étudiants de maîtriser le principe de l’expérience, et de pouvoir étudier les phénomènes considérés. Ils ont ainsi le temps de se pencher sur le principe de la mesure et donc une certaine liberté dans les méthodes à utiliser. Les projets se déroulent sur 10 jours. Les cinq premières séances permettent de se former, le projet proprement dit a lieu lors des séances S6 à S10. Les étudiants doivent aussi effectuer une recherche bibliographique sur le sujet de leur projet pour approfondir leur culture générale sur le sujet. La dernière séance est réservée à l'oral.
La liste des projets proposés actuellement (2013-2014) est la suivante:
Aimantation : étude des propriétés magnétiques d’échantillons de Fer et de Gadolinium en fonction de la température (77 à 350K)
Corps noir : simulation d’un corps noir idéal par un four (140°C<T<1500°C) ; mesure de l’émittance et détermination du spectre en longueurs d’onde
Émission thermoélectrique : Emission d’un courant d’électrons par un corps chauffé à très haute température et les différents régimes d’une diode à vide
Jet turbulent : Etude spatiale et temporelle de la turbulence d’un jet d’air à symétrie axiale.
Matière molle : Comportement visco-élastique de fondus ou de gels de polymère analysé grâce à un rhéomètre à bille magnétique
Résonance paramagnétique électronique : Mesure du magnétisme de couches ultraminces par RPE
Supraconductivité : Mesure de la variation de la résistance de matériaux supraconducteurs à haute TC ( YBaCuO) en fonction de la température (SQUID).
Fluctuations fondamentales : Analyse des bruits électroniques intrinsèques : bruit thermique et bruit de grenaille.
FILIERES UTILISATRICES
Ces projets nécessitent investissement horaire conséquent, et une organisation groupée en fin d’année. Ils sont proposés exclusivement aux étudiants de physique fondamentale (M1 jusqu’en 204 et L3 à partir de 2014). Une centaine d’étudiants sont ainsi concernés. Ils sont répartis en binôme par groupe de TP de 10 étudiants.
Total 2012-2013 : 96 étudiants pour 6530 hTP étudiants Taux d’encadrement : 1 encadrant pour 5 binômes
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LA PLATEFORME EN IMAGES
L’une des 2 salles de TP
12 postes par salle tous équipés en Labview De l'importance des réglages.
Acquisition contrôlée par ordinateur Il est parfois difficile de trouver un endroit sans
bruit électromagnétique.
Découverte de la matière molle :
rhéomètre à bille Projet en cours
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PLATEFORME PLASMAS
OBJECTIFS ET DESCRIPTION
FILIERES UTILISATRICES
LA PLATEFOREME EN IMAGES
Expérience permettant aux étudiants
de former et d'analyser des plasmas à partir de gaz rares
Expérience 'Hélicon'. A l'intérieur d'une enceinte sous vide secondaire, les étudiants forment un plasma et le confinent par un champ magnétique. La mesure combinée à une simulation numérique conduit à déterminer les paramètres physiques du plasma.
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