Licence de Physique Thorie, Exprience, Modle PHYTEM (2010-2011)

Travaux Pratiques de Physique

responsable: Frdric Moulin

Fascicule n1Planning Introduction aux travaux pratiques Modalits d'examens p1 p3 p10

Optique gomtrique lmentaire Ondes dans diffrents domaines de la physique Interfrences et diffraction Magntisme Changements d'tat Interfromtres de Michelson et de Fabry-Perot

p13 p17 p21 p27 p35 p43

2010-2011

Travaux pratiques de Physique 1re srie Licence PHYTEMLes travaux pratiques auront lieu au dpartement de physique de l'ENS Cachan le matin de 8h30 12h30 et l'aprs midi de 14h 18h.

Optique gomtrique lmentaire Vendredi 1er octobre Vendredi 8 octobre grA matin et grB aprs-midi grC matin et grD aprs-midi Andr Galais Salle 68

Ondes grB matin et grA aprs-midi grD matin et grC aprs-midi Frdric Moulin Salles 75A et B

Interfrences et diffraction Vendredi 15 octobre Vendredi 22 octobre grA matin et grB aprs-midi grC matin et grD aprs-midi Salle 68

Magntisme grB matin et grA aprs-midi grD matin et grC aprs-midi Frdric Moulin Salles 75A et B

Michelson et Fabry-Perot Vendredi 5 novembre Vendredi 12 Novembre grA matin et grB aprs-midi grC matin et grD aprs-midi 5 novembre F.Moulin Salle 68 12 novembre Andr Galais Salle 68

Changement dtats grB matin et grA aprs-midi grD matin et grC aprs-midi Franois Treussart Salles 57, 75B

Salle 68: salle d'optique situe dans le couloir du dpartement de physique.

Salle 75A et 75B: salles situes dans le couloir de l'administration juste avant le dpartement de

physique. Salle 57: salle de thermodynamique en face de la salle 75B .

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Introduction aux Travaux Pratiques

I) Le but de la formation exprimentaleLe but premier d'une formation exprimentale est de vous permettre d'acqurir une certaine autonomie et un esprit critique vis vis d'une exprience quelconque. Pour cela, il est ncessaire de connatre et de savoir utiliser le matriel d'instrumentation courant, prsent dans beaucoup de laboratoire, ainsi que divers dispositifs exprimentaux que l'on rencontre souvent en physique. L'outil informatique est aussi devenu indispensable pour l'acquisition et le traitement des donnes exprimentales. Savoir utiliser le matriel dinstrumentation dusage courant: Lutilisation des instruments de base, tel que loscilloscope, doit rapidement devenir transparente et ltudiant doit sinterdire de jouer indiffremment sur la base de temps ou le calibre pour stabiliser une trace rtive, sans se poser la question du signal quil faut utiliser pour le dclenchement. De mme, si on souhaite reprer une temprature, il faut commencer par se demander quel sera le capteur le mieux adapt cette mesure. Si une prsentation exhaustive de tous les types de matriel est bien videmment irraliste, un des principaux buts de cette formation exprimentale sera par consquent dacqurir les bons rflexes de lexprimentateur. Acqurir un esprit critique vis vis des expriences: Une fois lexprience faite, quelle soit satisfaisante ou non, il est ncessaire de critiquer les rsultats obtenus et d'estimer lincertitude finale. Il importe galement de garder prsent lesprit que toute mthode de mesure (mme celle qui pourrait vous tre propose dans la sance de travaux pratiques !) nest pas forcment la plus judicieuse, aussi bien du point de vue conceptuel que du choix de l'appareillage utilis. Apprendre concevoir et raliser soi-mme une exprience de physique: Ce travail passe par une succession dtapes : 1) Choisir lexprience la mieux adapte pour ltude quon se propose deffectuer et qui permette de dgager ses paramtres pertinents 2) Concevoir le dispositif exprimental, et choisir le matriel en vue de sa ralisation avec une prcision suffisante 3) Analyser les rsultats quantitatifs obtenus, savoir les exploiter de faon pertinente et estimer la prcision des mesures qui ont t effectues 4) Noter lensemble de ce travail dans son cahier de laboratoire et ventuellement enregistrer les fichiers de donnes ainsi que les graphes sur un support informatique fiable.

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II) Mesures physiques, erreurs exprimentales, incertitudesEn sciences exprimentales, il n'existe pas de mesures parfaitement exactes. Celles-ci ne peuvent tre qu'entaches d'erreurs plus ou moins importantes selon le protocole choisi, la qualit des instruments de mesures ou le rle de l'exprimentateur. Jamais l'exprimentateur le mieux outill et le plus habile ne peut tre sr d'atteindre la valeur exacte de la grandeur qu'il mesure, mais peut s'en approcher la prcision des mesures prs. Une mesure physique doit donc toujours tre accompagne d'une estimation de son incertitude. a) Dfinitions, notations, erreurs alatoires et erreurs systmatiques Une grandeur physique cherche Y est souvent le rsultat d'une combinaison de valeurs exprimentales xi mesures l'aide d'instruments et relis entre eux par une formule thorique: Y ( x1 ,.., xi ,..., xn ) . Le rsultat brut d'une mesure est tout dabord lu sur linstrument quon juge le mieux adapt pour effectuer la mesure. Il doit tre accompagn dune analyse des causes derreur et dune valuation, ventuellement statistique, de lincertitude qui est associe cette mesure. Les rsultats des mesures seront gnralement crit sous la forme : valeurs mesures: xi = < xi > xi grandeur physique: Y = < Y > Y

o < xi > est la meilleure estimation de la grandeur mesure xi et xi lincertitude sur la mesure. Les indications qui sont fournies par les appareils de mesure sont toujours entaches d'erreurs, dues lappareil lui-mme. On peut citer par exemple les dfauts d'talonnage, une utilisation non conforme aux prescriptions du constructeur, ou tout simplement une erreur de manipulation ou de lecture. Considrons par exemple le cas de la mesure de la priode doscillation T0 dun pendule pesant, effectue laide dun chronomtre. La mesure de cette priode sera bien entendu affecte par une erreur sur linstant de dmarrage et darrt du chronomtre, lestimation des graduations, les petites irrgularits dans le mouvement pendulaire, etc. Le rsultat de la mesure va par consquent fluctuer autour dune valeur moyenne, limportance relative de ces fluctuations tant dautant plus faible quon prend soin d'effectuer la mesure du temps doscillation sur un grand nombre de priodes. Notons bien quil sagit l derreurs accidentelles dont le signe et lamplitude peuvent tre considrs comme alatoires. Certaines des causes peuvent tre connues, mais les valeurs des erreurs quelles entranent au moment de la ralisation de la mesure sont par contre inconnues. Si nous rptons la mesure de T0 un grand nombre de fois, ces erreurs accidentelles induiront une dispersion des rsultats et dans la plupart des cas, le rsultat donn par une mesure sera proche dune certaine valeur moyenne. A linverse, plus le rsultat d'une mesure donne est loign de cette moyenne, et plus il est rare.

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Si cette description statistique est bien adapte la description des erreurs accidentelles ou "alatoires", il existe cependant un autre type derreurs, appeles erreurs systmatiques. Il s'agit d'erreurs qui ne peuvent tre dcrites par ce moyen mais qui par contre influent fortement sur le rsultat des mesures. Ainsi remarquons limportance du chronomtre dans la mesure dcrite prcdemment. Si celui-ci retarde, toutes les mesures seront alors systmatiquement sous-values. Il sagit bien l dune erreur dite systmatique. Elle introduit un dcalage constant entre la valeur vraie et la valeur mesure. La combinaison des erreurs alatoires et systmatiques est souvent reprsente par une analogie avec le tir sur une cible:

Sur la figure (a), les mesures seraient suffisamment prcises pour rvler

lexistence dune dviation systmatique. A linverse, sur la figure (b), une dviation systmatique serait masque par la

dispersion trop importante des mesures

Supposons maintenant que la mesure soit rpte un grand nombre de fois en changeant alatoirement de chronomtre, celui-ci pouvant soit retarder soit avancer ; lerreur de mesure qui est introduite par linexactitude du chronomtre devient alors une erreur alatoire ! On peut ainsi parfois compenser certaines erreurs systmatiques en faisant par exemple la moyenne sur deux rsultats obtenus en permutant deux appareils rputs identiques, en inversant un des paramtres de lexprience (comme par exemple le sens du champ magntique) ou tout simplement en utilisant, lorsque cela est possible, des grandeurs relatives donnant le rapport ou la diffrence entre deux grandeurs absolues. Lhistoire de la physique nous apprend ce propos que mme les meilleurs physiciens peuvent tomber dans le pige sournois des erreurs de mthode. Ainsi, lorsque Robert Millikan mesura la charge lmentaire e entre 1907 et 1917, il donna comme rsultat final e = (4.7740.002) 10-10 esu. Dans les annes 1930, cette valeur fut compare une dtermination indirecte de e partir de la mesure du nombre dAvogadro NA et de la constante de Faraday F, relies entre elles par la relation F = NAe. La valeur ainsi dduite pour la charge lmentaire tait de (4.8021 0.00092) 10-10 esu, qui diffrait donc de manire significative de la valeur publie par Millikan. Lorigine de cette diffrence ne fut trouve qu la toute fin des annes trente, lorsquon saperut que Millikan avait utilis une valeur errone de la viscosit de lair provenant de mesures effectues par lun de ses tudiants !

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b) Propagation des incertitudes Revenons notre formule thorique: Y ( x1 ,.., xi ,..., xn ) rsultat d'une combinaison de valeurs xi = < xi > xi mesures exprimentalement avec < xi > (souvent une valeur moyenne) reprsentant la meilleure estimation de la grandeur mesure xi pour estimer au mieux < xi >Y = < Y > Y :

et xi l'incertitude. Plusieurs cas se prsentent

et

xi et donc en tirer la grandeur physique recherche

- l'exprimentateur fait toute une srie de mesure sur la mme grandeur xi sans changer les paramtres de l'exprience, puis, par un traitement statistique (moyenne, cart-type) obtient les valeurs < xi > et xi pour un paramtre ou une configuration donne. Ce cas sera tudi au chapitre suivant. - l'exprimentateur ne fait qu'une seule mesure pour chaque valeur d'un paramtre et value au mieux l'incertitude associe (incertitudes de lecture, classe de l'appareil, calibre, rsolution, parasites, perturbation extrieures..). Le traitement statistique n'est plus possible ici, mais on peut dmontrer que si les mesures des xi sont indpendantes (non corrles entre elles) alors les formules gnrales ci-dessous permettent de calculer < Y > et Y :< Y > = Y ( < x1 > ,.., < xi > ,..., < x n > )

( Y ) 2 = (i =1

n

Y Y Y Y xi ) 2 = ( x1 ) 2 + ... + ( xi )2 + ... + ( x n )2 xi x1 xi x n

exemples:

Somme algbrique:

Y = a1 x1 + a 2 x 2 + a 3 x3 + ....... + a n x n < Y >= a1 < x1 > + a 2 < x 2 > + a 3 < x3 > +......... + a n < x n > ( Y ) 2 = ( a1 x1 )2 + ( a 2 x 2 )2 + ( a 3 x3 ) 2 + ......... + ( a n x n ) 2

a b c p Produit ou quotient: Y = k x1 x2 x3 .......x n

< Y >= k < x1 > a < x 2 > b < x3 > c ....... < x n > p

(

YY

)2 = (

cx3 2 px n 2 ax1 2 bx 2 2 ) +( ) +( ) + ......... + ( ) x1 x2 x3 xn6

c) Traitement statistique. Rpartition gaussienne des erreurs Quel sens faut-il donner rellement lincertitude x sur la mesure de x ? On pourrait penser que lintervalle [< x > x ,< x > + x] reprsente un domaine de valeurs qui contient coup sr la valeur cherche x. Il nen est rien, cet intervalle doit tre prsent comme un domaine lintrieur duquel la vraie valeur x est probablement contenue. Il est en fait beaucoup plus raliste de caractriser la grandeur physique mesure non plus par une seule valeur exacte, mais plutt par la probabilit de trouver dans une exprience telle ou telle valeur. Nous devons ainsi interprter le rsultat d'une mesure comme le tirage au sort d'une variable alatoire x, avec une fonction de probabilit p(x) associe. L'hypothse la plus communment admise, et vrifie pour de trs nombreux cas en physique, est en premire approximation une rpartition gaussienne des erreurs correspondant une distribution normale. Ainsi la probabilit P( a ,b ) pour qu'une variable alatoire x satisfaisant la loi de Gauss soit comprise entre les limites a et b est donne par la relation:b

P( a ,b ) = p( x )dx avec p(x) la densit de probabilit: p( x ) =a

1

2

exp (

( x < x > )2 2 2

)

o < x > est la valeur centrale ou la moyenne, et l'cart-type. Lintervalle

[< x >

x ,< x > + x] sera alors dfini comme un intervalle de confiance, qui

correspond une probabilit P( < x > x , < x > + x ) de contenir la valeur exacte de la grandeur mesure x. Un calcul simple nous donne les valeurs pour x = , 2 , 3P =< x > + < x >

p( x )dx = 0 ,683 p( x )dx = 0 ,9545

soit 68,3% de confiance

P 2 =

< x > +2 < x > 2 < x > +3 < x > 3

soit 95,45% de confiance

P3 =

p( x )dx = 0 ,998+

soit 99,8 de confiance

et bien entendu: P =

p( x )dx = 1

On exprimera le rsultat avec un nombre de chiffres significatifs appropri, compte tenu de lincertitude x . Comme le fait le Committee for Science and Technology (CODATA http://physics.nist.gov/cuu/index.html) dans les valeurs quil prconise pour les constantes physiques fondamentales, il est en fait inutile de chercher exprimer lincertitude sur une mesure au del de deux chiffres significatifs. Pour crire le rsultat dune mesure, on pourra ainsi appliquer de manire

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pragmatique la rgle suivante : on conserve pour < x > les deux chiffres significatifs qui interviennent dans l'incertitude x value pour la mesure. Ainsi, la constante de Rydberg R , qui est lheure actuelle la constante physique fondamentale qui est mesure avec la plus grande prcision, est tabule dans le CODATA comme :R = 2 me c 2h

avec

R = (10 973 731,568 525 0,000 073) m-1 ( )

d'ou une incertitude relative de :

RR

= 6 ,6 10 12

III) Quelques conseils pour le travail au laboratoirea) La trace du travail effectu au laboratoire : le cahier de manip Pour tout travail exprimental, il est fondamental de conserver une trace de tout ce qui a t fait. Il est donc ncessaire de prendre des notes pendant la ralisation dune exprience. Dans les laboratoires de recherche, une habitude est dutiliser un cahier de laboratoire. Ainsi, toutes les personnes concernes par lavancement de lexprience savent o se trouve linformation: dans le cahier de manip ! Mme si cela peut apparatre comme une simple affirmation dogmatique, ce cahier une importance capitale pour y consigner jour aprs jour les expriences ralises quelque soit leur sujet, les mesures effectues sur le dispositif exprimental, les ides de manips, les rfrences bibliographiques, etc. Il n'est pas rare de voir les tudiants qui prparent l'agrgation de physique, utiliser leur "vieux" cahier de manips afin de refaire plus efficacement certaines expriences dlicates. On se demande souvent ce quil est ncessaire de faire figurer dans un cahier de manip, quant la concision ou aux dtails. Il nexiste videmment aucune rgle, mais lexprience rvle que des notes bien prises doivent ensuite pouvoir permettre de refaire une exprience, quelques annes aprs que cette dernire ait t ralise, ou de rinterprter les rsultats obtenus. Quelques points sont toutefois essentiels pour un travail optimal: 1) Dcrire le dispositif exprimental par des schmas simples et clairs en indiquant les procdures de rglages des diffrents appareils, sans oublier de noter les petits "trucs de manips" propres chaque exprience et exprimentateur. 2) Ne pas hsiter faire quelques tests sur le matriel et l'exprience de faon en comprendre le fonctionnement et les limitations. Faire quelques mesures " blanc" pour se faire la main et pour tester l'tendu des rsultats exprimentaux attendus. 3) Une fois la prise en main de la manip ralise, faire les mesures et reporter les rsultats brutsimmdiatement et directement sur le cahier sans faire de conversion ou de calcul mental sur une valeur

lue.

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4) Analyser vos rsultats et incertitudes afin d'obtenir le ou les valeurs exprimentales pertinentes associes au modle. Dispositif exprimental Mesures brutes Analyse et modle

D'un point de vue pratique, vous avez votre disposition un ordinateur pour pouvoir entrer vos donnes et tracer vos graphes (logiciel IGOR), ainsi qu'une imprimante en rseau (salle 75A). Il est donc possible, et conseill, d'imprimer et de coller les graphes et autres images dans votre cahier. Les donnes informatiques seront, quant elles stockes lorsque cela est possible, sur un CD, une cl USB ou directement dans un dossier votre nom sur l'ordinateur. Une connexion internet vous permet aussi ventuellement de rcuprer les noncs sur le site de Phytem: http://www.phytem.enscachan.fr/coursenligne1A.htm ou d'envoyer vos donnes par mail. Il est aussi trs utile et conseill de prparer la sance de TP avant de venir. Vous pouvez, par exemple, reporter sur votre cahier le modle thorique simple concernant l'exprience ainsi que des rfrences bibliographiques.

Quelques conseils pour dbuter : ne soyez pas trop conomique vis--vis du papier, pensez arer vos notes de manire pouvoir ensuite y rajouter des commentaires, un titre ou toute information utile comme par exemple les diffrentes units... Attention ne pas rcrire sur des donnes : il vaut mieux les barrer clairement pour crire la nouvelle valeur ct de manire pouvoir la lire sans aucune ambigut. Les notes que vous allez prendre vous sembleront dans un premier temps confuses et brouillonnes. Cependant, ne vous laissez pas dcourager : la prsentation ira en samliorant au fur et mesure que vous vous entranerez cet exercice !

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IV) Modalits d'examensLvaluation du module de Physique exprimentale de la Licence Phytem repose sur deux notes : - Note de 1er semestre: contrle continu - Note de 2me semestre: tutorat exprimental a) Note de 1er semestre: contrle continu La note de contrle continu est donne par lensemble des professeurs qui participent lencadrement des Travaux Pratiques. Elle est la synthse de leurs diffrents avis sur plusieurs points tels que : la participation active en TP, la capacit faire fonctionner correctement le matriel et les manipulations (au moins la fin de la sance !), l'autonomie, le soin dans la prise des donnes exprimentales, l'exploitation judicieuse des mesures avec valuation des incertitudes. Insistons sur le fait que nous ne demandons pas de comptes rendus. Par contre, tous les rsultats exprimentaux, obtenus lors des sances de manipulation, doivent tre obligatoirement consigns dans le cahier de laboratoire. Une vrification systmatique de la qualit de la rdaction sera effectue rgulirement. Les cahiers seront ramasss et tudis la fin du 1er semestre comptant pour une bonne part dans le barme de notation. Afin que chacun fasse un effort de rdaction, il est vivement conseill chaque membre du binme de rdiger une partie des TP. Une note finale sera attribue individuellement.

b) Note de 2me semestre:tutorat exprimental L'examen de tutorat exprimental se droulera de la faon suivante : - Vous tes convoqu le matin 8h, 9h ou 10h au dpartement de physique de l'ENS Cachan (voir tableau). A votre arrive l'heure indique, vous venez retirer votre sujet auprs des techniciens du

dpartement (liste ci-jointe des sujets exprimentaux proposs). - Vous travaillez ensuite en binme la prparation de votre sujet exprimental durant 6 heures avec l'aide d'un technicien pour sortir et mettre en place le matriel. Au cours de cette prparation, vous devrez mettre en uvre et exploiter plusieurs expriences illustrant le sujet. L'exprience principale est indique entre parenthses et concerne une exprience dj effectue en TP et que vous aurez refaire obligatoirement devant les examinateurs. Une ou plusieurs autres "petites" expriences de votre choix, en rapport avec le sujet, viendront complter la prsentation orale (vous avez une totale libert dans ce choix qui ne se fera pas obligatoirement dans les TP dj raliss). Tous les documents sont autoriss durant l'preuve (notes, tables, cahier de manip ....). - Les expriences prpares seront prsentes aux interrogateurs. La prsentation dure environ 40 minutes et doit tre quitablement partage dans le binme. Il est vivement conseill de faire au

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tableau, un plan comportant un bref rsum des diverses expriences proposes, et le cas chant les rsultats dj obtenus en prparation. Vous referez obligatoirement quelques prises de mesures que vous exploiterez "en direct" devant les examinateurs. Une petite modlisation peut parfois tre utile pour expliquer les phnomnes physiques, mais il s'agit ici d'une preuve exprimentale. A la suite de cette prsentation, les interrogateurs vous poseront diverses questions pendant 15 minutes environ. Une note finale sera attribue individuellement chacun d'entre vous.

Exemples de sujet poss:

Liste des sujets 2007-2008 : (le numro du sujet correspond l'exprience de TP)

2- Propagation d'ondes dans diffrents domaines de la physique. (chane linaire d'oscillateurs) 3- Oscillateurs dans diffrents domaines de la physique. (cavit Laser) 4- Cavits rsonnantes (cavits rsonnantes en acoustique) 5- Phnomnes de rsonance (appareil de Rsonance Magntique Nuclaire) 6- Interfrences dans diffrents domaines de la physique. (interfromtre de Michelson utilis pour la spectroscopie en transforme de Fourier) 7- Propagation et transfert de chaleur. Changement d'tat. (module effet Peltier-Seebeck) 9- L'lectron: Effet tunnel. Diffraction + .... (Microscope effet Tunnel ) 10- Phnomnes de polarisation (Polarisation de la lumire, ellipsomtrie) 11- Spectroscopie (effet Zeeman) 12- Magntisme (effet Hall)

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Optique gomtrique lmentaire

Poste n1:-

Lentilles convergentes : Formule de conjugaison - Formule de Newton.

Faire l'image dun objet diffusant laide dune lentille convergente. Schma des rayons. Applications numriques de la formule de conjugaison et de la formule de Newton. Quelles sont les approximations utilises pour obtenir ces formules ? Etablir la relation entre les deux positions de la lentille permettant d'obtenir une image nette. En dduire la distance minimum objet-cran pour pouvoir faire une image relle ? Evaluer la distance focale de la lentille convergente par la mthode d'autocollimation. Raliser un faisceau de lumire parallle. Commentaires.

Poste n2 :-

Lentille divergente - association de lentilles

Identifier, par une mthode simple et rapide, la lentille divergente et la lentille convergente ? Dans quel cas peut-on obtenir une image relle laide dune lentille divergente ? Faire limage de lobjet diffusant en utilisant deux lentilles, une divergente et une convergente. Schma des rayons. Notion dimage et dobjet rels, virtuels. Grandissement transverse.

Poste n3 :

Miroir plan. Miroir sphrique

Faire l'image dun objet laide dun miroir convergent. Schma des rayons. Formule de conjugaison et conventions de signe. Applications numriques. Quelles sont les approximations utilises pour obtenir la formule de conjugaison ? A l'aide d'un compas faire le schma d'un miroir sphrique convergent rel de distance focale assez courte (typiquement quelques centimtres) et tracer la marche exacte (1re loi de Descartes =') de diffrents rayons lumineux parallles l'axe optique. Notion d'aberration sphrique et dfinition de la distance focale. Estimer la distance focale du miroir convergent l'aide d'une mthode d'autocollimation. Peut-on faire l'image dun objet laide dun miroir plan ? Schma des rayons. Y a t-il prsence d'aberrations gomtriques dans ce cas ? Pourquoi observe t-on une image relle lorsque l'on se regarde dans un miroir plan ?

Poste n4:

Approximation de Gauss - Aberration sphrique (Tableau magntique)

On utilise une lentille plan-convexe en plexiglas (n=1,5 ; R=8cm) que lon claire normalement sa face plane par plusieurs faisceaux de lumire parallle entre eux. Identifier les rayons paraxiaux et marginaux. Comment sont dfinies les distances focales pour une lentille "paisse" ? Notion de plans principaux. Peut-on mesurer directement cette distance focale ? Faire le calcul l'aide de la formule :

1 1 1 = ( n n0 )( ) R1 R2 f'

Mesurer laberration sphrique longitudinale (cart entre le foyer image marginal et le foyer image paraxial). Quest ce que lapproximation de Gauss ? Retourner la lentille. Observations. Rgle des 4P : Plus Plat Plus Prs.

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Poste n5 :

Technique de projection d'une image. Rle du condenseur

Dans un premier temps on enlvera le condenseur optique (compos de deux lentilles plan-convexe de grand diamtre et de courte focale) situ en avant de la lampe blanche (attention ce dernier est fragile et peut tre trs chaud). On claire ensuite directement une grille dont on fait limage sur un cran laide dune lentille de grande ouverture. Observations. Peut-on amliorer limage de cette grille en replaant le condenseur sur la lampe ? O est situe l'image du filament de la lampe dans ce cas prcis ?

Poste n6 : Gradient d'indiceOn dispose d'une grande cuve contenant un mlange eau + sucre ou sel, dont la concentration varie suivant la profondeur. Pour obtenir ce rsultat, nous avons, dans un premier temps, ralis une solution sature en sucre ou sel puis nous avons ensuite vers dlicatement de l'eau pure en surface (le long de la paroi de la cuve). L'indice optique tant fonction de la concentration, nous avons en fait ralis ici un milieu prsentant un gradient d'indice suivant la direction verticale repre par z. Dans quel sens est dirig le gradient d'indice ? O sont situes les surfaces qui-indices ? Peut-on noncer ici une formule gnrale du type Snell-Descartes en utilisant l'angle de rfraction i(z) dans ce milieu d'indice n(z) continment variable. On suppose que le faisceau laser pntre dans le milieu juste en haut du gradient o l'indice est approximativement celui de l'eau pure. En mesurant l'angle d'mergence du faisceau laser en sortie de cuve, dterminer l'indice de rfraction de sortie n donn par la formule:2 n = n0 + ( n cos ) 2 que l'on redmontrera ?

laser

eau n0=1,33

i(z) n(z) n

air n=1

eau+sucre

Poste n7 :

Dcomposition de la lumire. Projection dun spectre

Pour obtenir le spectre d'une source lumineuse quelconque, il faut tout d'abord faire limage dune fente fine sur un cran, puis intercaler un systme dispersif (prisme vision directe ou rseau) sur le trajet du faisceau lumineux. Observer le spectre de la lumire blanche et celui de la lumire issue dune lampe spectrale. Commentaires. Quel est l'influence de la fente source et de la qualit de l'image sur le spectre ?

Fente fine

Lentille

Ecran

Lampe blanche ou lampe spectrale

Prisme vision directe (PVD)

Spectre

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Optique gomtrique lmentaire Matriel

Poste n1 : -

Lentille convergente : Formule de conjugaison et formule de Newton.

1 doublet f=20 cm. 1miroir plan Une lampe blanche 1 petit diaphragme. 1 objet diffusant (lettre sur diffuseur) 1 cran. 1 rglet de 1 m. Lentille divergente : association de lentilles

Poste n2 : -

1 doublet f=20 cm. 1 lentille divergente f= -15cm.1 miroir plan. Une lampe blanche 1 objet diffusant (lettre sur diffuseur) 1 cran . 1 rglet 1m. Miroir plan. Miroir sphrique.

Poste n3 : -

1 miroir sphrique. 1miroir plan. 1 lentille f=20cm. Une lampe blanche 1 objet diffusant (lettre sur diffuseur) 1 petit cran sur pied. 1 rglet de 1 m. Aberrations sphriques (Tableau magntique)

Poste n4 :

- Tableau magntique + accessoires. - 1 rglet 20 ou 30 cm. Poste n5 : Technique de projection d'une image. Rle du condenseur.

- Lentille grande ouverture (marque ab.sphrique). Diaphragme grand diamtre. - Une lampe blanche. - 1 grille. 1 dpoli. 1 cran. Poste n6 : Gradient d'indice

Grande cuve en plexiglas avec solution sature en sucre + support lvateur Ampoule dcanter. 1 laser cran. Rglet. Dcomposition de la lumire. Projection dun spectre.

Poste n7 :

- 1 doublet f=20 cm. 1 cran. 1 fente rglable en angle et en largeur. - lampe blanche. lampe Hg (hp). - 1 prisme vision directe. Boite rseaux + support.

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Ondes dans diffrents domaines de la physique: mcanique, lectromagntisme, physique quantique

Poste n1 :

La cuve ondes

Un gnrateur d'air puls permet de gnrer des ondes sphriques la surface d'un liquide (de l'eau dans notre cas), avec une frquence rglable et mesurable l'aide d'un stroboscope (on mesure une diffrence de potentiel et on en dduit la frquence par une courbe d'talonnage donne par le constructeur). Un systme optique associant la lampe du stroboscope, un miroir plan et un cran dpoli permet de visualiser ces ondes (Grandissement=1,72). - A l'aide d'une seule source, gnrant des ondes sphriques, mesurer la vitesse de propagation des ondes sur l'eau. De quels paramtres dpend cette vitesse ? Illustrer l'effet Doppler. - Visualiser les interfrences entre deux ondes sphriques provenant de deux sources ponctuelles synchrones. Identifier les diffrents ordres d'interfrences associs aux hyperbolodes. Que se passe t-il lorsque l'on fait varier la distance entre les deux sources ? Poste n2 :

Corde vibrante. Plaque vibrante

Une corde non extensible est soumise une excitation sinusodale l'une de ses extrmits. Une masse m est relie la deuxime extrmit par l'intermdiaire d'une poulie. - Quel systme d'ondes observe t-on le long de la corde ? Existe t-il des frquences particulires pour lesquelles on observe une rsonance ? Effectuer les mesures de frquences au stroboscope. - Calculer exprimentalement la vitesse de propagation de l'onde mcanique le long de la corde. Comparer avec la valeur thorique v = T / , T tant la tension de la corde et sa masse

linique. Prcision. - A l'aide de sable trs fin, visualiser les modes de vibration d'une plaque mtallique vibrante. Commentaires. Poste n3 :

Guide d'ondes centimtriques. Propagation libre et guide

Les ondes centimtriques sont mises par une diode effet Gunn, et se propagent dans un guide donde mtallique de section rectangulaire a b (a=22,86mm ; b=10,16mm) - En ralisant une onde stationnaire lintrieur du guide, mesurer la longueur donde g dans leguide (une antenne coulissante sur le guide permet de mesurer une tension proportionnelle lintensit de londe en un point donn). - Mesurer la longueur donde 0 de londe se propageant librement dans lair en ralisant un interfromtre de Michelson (mettre un cornet adaptateur en sortie du guide). - Les rsultats exprimentaux sont-ils conformes la thorie donne par la relation de dispersion 1 1 1 = 2 2 du mode dominant TE10 se propageant lintrieur de ce guide donde : 2 g 0 4 a

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Poste n4 :

Onde de De-Broglie associe l'lectron. Diffraction d'lectrons

Un filament de tungstne, chauff par effet joule sous une tension de 6,3 Volts, met des lectrons de faible vitesse. Soumis une tension acclratrice V (V0 5 kVolts), ces derniers forment un faisceau homocintique de vitesse v. - Ecrire la relation de De-Broglie reliant la longueur d'onde de l'lectron sa vitesse v. Relier h, e, me et V. Lorsque ce faisceau d'lectrons tombe sur une surface cristalline, il se diffracte suivant la relation de Bragg : 2dsin=n (voir notice) - Identifier les diffrents termes de cette expression. - La cible cristalline utilise ici est sous forme de poudre. Qu'observe t-on sur l'cran fluorescent dpos sur le fond du tube vide ? - Dterminer la longueur d'onde des lectrons sachant que la cible est compose de graphite deo o

rseau hexagonal comportant deux distances caractristiques d1=2,13 A et d2=1,23 A . Dcible-cran=13,5cm. Prcision. Comparer avec la valeur obtenue prcdemment avec la tension acclratrice V. Attention: Ne pas faire fonctionner le tube plus de 10 minutes sous peine de dtrioration.

Poste n5 :

Etude qualitative de l'effet photolectrique

On appelle effet photolectrique l'extraction d'lectrons de la matire sous l'effet de la lumire. Ce phnomne physique fut interprt par Einstein en 1905 en introduisant la quantification de la lumire, dcrite en terme de photon d'nergie E = h . La loi dcrivant l'effet photolectrique s'crit:E c = h W 0

o h est l'nergie du photon incident, W0>0 le travail de sortie caractristique du matriau (gnralement un mtal) et Ec l'nergie cintique de sortie de l'lectron, une fois celui-ci arrach au mtal. D'aprs cette formule, on constate que ce phnomne apparat seulement lorsque la frquence de la W lumire incidente dpasse une valeur seuil donne par: 0 = 0 , en dessous de laquelle aucun h lectron n'est mis, quelle que soit l'intensit lumineuse du faisceau incident.

Nous nous proposons ici de raliser une exprience qualitative consistant clairer avec une lampe spectrale vapeur de mercure, mettant entre autre un rayonnement UV, une plaque de zinc frachement dcape. Cette plaque est reli un lectroscope permettant de mesurer la charge lectrostatique sa surface. Raliser et interprter les trois expriences suivantes: a) La plaque de zinc est charge ngativement l'aide d'un bton d'bonite frott avec une peau de chat. Elle se dcharge sous l'action de l'clairement de la lampe spectrale. b) Si on interpose une plaque de verre, la dcharge est arrte. c) La plaque de zinc est charge positivement par influence avec le mme bton d'bonite. Aucune dcharge n'est observe en clairant avec la lampe Hg.

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Poste n6 :

Quantification des niveaux d'nergie: exprience de Frank et Hertz

En 1914, J.Franck et G.Hertz, qui travaillaient sur les nergies d'ionisation des atomes, ont mis en vidence la quantification des niveaux d'nergie de l'atome de mercure en provoquant des collisions avec des lectrons incidents dont l'nergie cintique est ajustable. Dans ce TP, nous nous proposons de reproduire cette exprience historique, en utilisant un tube de Frank et Hertz vapeur de mercure, mont dans un four lectrique dont la temprature T est ajustable. Ce type de tube possde 3 lectrodes comme indiqu sur le schma ci-dessous:cathode grille anode

courant de sortie

tension de chauffage de la cathode

tension dacclration 0 . 60 Volts

tension de freinage 2 Volts

1) La cathode chauffe met des lectrons de vitesse trs faible 2) L'lectrode intermdiaire sous forme de grille, sur laquelle une tension positive U1 est applique, permet d'acclrer ces mmes lectrons jusqu' une nergie eU1 3) L'anode collectrice, sur laquelle une tension ngative U2 est applique par rapport la grille, provoque le freinage des lectrons. Seuls les lectrons possdant une nergie eU1> eU2 , au niveau de la grille, peuvent atteindre l'anode et participer au courant de sortie d'intensit IA.

L'exprience consiste tout d'abord chauffer le tube de manire ce que le mercure liquide se transforme en vapeur ( T 175 10 C ). Les lectrons mis par la cathode, peuvent alors entrer encollision avec les atomes de mercure suivant deux types de chocs: des chocs lastiques, dans lesquels les lectrons gardent leur nergie initiale, et des chocs inlastiques, o les lectrons cde de l'nergie aux atomes de mercure faisant passer les lectrons atomiques du niveau fondamental vers un niveau d'nergie suprieure (situ ici 4,9 eV = 253,6 nm ) Visualiser sur l'oscilloscope la courbe d'volution du courant de sortie IA en fonction de la tension acclratrice U1, et observer qu'elle prsente plusieurs creux distants de 4,9 volts. Interprter.

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Ondes dans diffrents domaines de la physique: mcanique, lectromagntisme, physique quantique

Matriel Poste n1 :

La cuve ondes

- Cuve onde remplie d'eau + accessoires - Multimtre. 1 rglet de 20-30cm Poste n2 :

Corde vibrante. Plaque vibrante.

-

Corde de Melde + vibreur + GBF amplifi. Plaque vibrante + vibreur + caisse en plexiglas + sable fin Masse crochets + masse talon 200g. Stroboscope. Balance lectronique de prcision. bout de corde de Melde (environ 1m)

Poste n3 :

Guide d'ondes centimtriques. Propagation libre et guide. Polarisation.

- matriel d'ondes centimtriques ORITEL. - 2 plaques mtalliques + 1 plaque en plexiglas. - 1 multimtre. Rglet 50 cm. Poste n4:

Onde de De-Broglie associe l'lectron. Diffraction d'lectrons

- Systme tube diffraction d'lectrons. - Alimentation tube : chauffage 6,3 V avec Haute tension (0 6 kVolts avec affichage prcis de la tension) Poste n5 :

Etude qualitative de l'effet photolectrique

-

Plaque de zinc + lectroscope lampe HG avec raie UV baton d'bonite + peau de chat plaque de verre + support

Poste n6:

Exprience de Frank et Hertz

- Systme Frank et Hertz PHYWE - Oscilloscope numrique

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Interfrences et diffractionPoste n1 :

Diffraction par un bord d'cran. Point de Poisson

Enoncer le principe de Huygens-Fresnel. Notion de diffraction l'infini. Diffrents objets diffractants seront clairs l'aide d'un faisceau laser largi et pur. - Visualiser les figures de diffraction d'un bord d'cran (lame de rasoir), d'un fil pais (il est conseill de placer l'cran assez loin de faon observer les franges situes l'intrieur de l'ombre gomtrique du fil) et d'une bille sphrique (faire lgrement converger le faisceau autour de la bille pour bien observer le point lumineux appel "point de Poisson"). Poste n2 :

Diffraction l'infini. Mesures par la diffraction

On claire diffrents objets diffractant directement avec un faisceau laser simple. - Visualiser la figure de diffraction l'infini d'une fente rectangulaire, ainsi que celle d'une ouverture circulaire. Commentaires. A partir de quelle distance peut-on parler de diffraction linfini ? - A l'aide de leurs figures de diffraction l'infini dterminer les caractristiques gomtriques des objets suivant : cheveu, poudre de lycopodes (spores circulaires). Enoncer le thorme des crans complmentaires (thorme de Babinet). On donne l'intensit diffracte par une fente a b :I (u , v) = I 0 sin c 2 (ua ) sin c 2 (vb)

avec u =

sin sin 0

et v =

sin sin 0

et l'intensit diffracte par une ouverture circulaire de diamtre D :

2 J (Z ) I (Z ) = I 0 1 Z

2

o J1(Z) est la fonction de Bessel d'ordre 1 avec Z = D u 2 + v 2 . Le premier minimum de la fonction de Bessel est obtenu pour Z=3,83 correspondant au premier anneau noir de la tache R ou R est le rayon mesur d'Airy. Les angles et tant petits, on a la relation : u 2 + v 2 L

sur la tache d'Airy et L la distance objet-cran.

Poste n3:

Interfrences et diffraction : fentes dYoung et rseaux

L'intensit diffracte l'infini par N fentes de largeur a et distante de d est donne par :

I N = I 0N

sin( Nud ) sin c (ua ) N sin(ud ) 2

2

avec I 0 N = N 2 I 01

On donne dans le complment ci-joint les figures de diffraction par une fente I1(u)/I01, par deux fentes I2(u)/I02 et par N fentes IN(u)/I0N. Commentaires. Intrt des rseaux ?

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- Deux fentes dYoung sont claires directement par un faisceau laser. Visualiser sur un cran la figure de diffraction l'infini. Interprter. - Faire de mme avec un rseau de diffraction. Les pics lumineux observs sont-ils dus l'interfrence ou la diffraction ? - Par une mthode de votre choix, dterminer exprimentalement la longueur donde du laser. Prcision. Poste n4 :

Interfrences en lumire blanche

- A laide des diffrents dispositifs interfrentiels proposs visualiser sur un cran ou sur la camra CCD couleur, les franges dinterfrences en lumire blanche. Poste n5 :

Diffraction acoustique

Une onde ultrasonore ( 6 Mhz ), gnre par un cristal de quartz pizo-lectrique, se propage dans une cuve remplie d'thanol pur. Le rseau d'indice cr par cette onde est susceptible de diffracter un faisceau lumineux. - Etudier la figure de diffraction l'infini du faisceau traversant la cuve. Commentaires. - En dduire la clrit de l'onde ultrasonore dans l'thanol ( v 1150 m / s ). On supposera ici que la formule des rseaux habituelle est applicable. Attention : Les tensions utilises sont de l'ordre de 380 Volts. Ne rien dbrancher et ne rien brancher sur l'alimentation. Un cble coaxial branch uniquement sur l'oscilloscope servira d'antenne pour capter les signaux haute frquence mis par le dispositif exprimental.

Poste n6 :

Franges d'gale paisseur d'une lame de savon

Les franges d'gale paisseur s'observent couramment dans la nature sous forme d'irisations la surface de bulles de savon ou de flaques recouvertes d'une pellicule huileuse par exemple. Un simple film de savon tendu sur un cadre permet de raliser facilement de telles expriences spectaculaires. - Raliser une lame de savon sur le cadre mtallique qui sera clair avec une lampe blanche. O sont localises les interfrences ? Projeter les franges d'interfrences en rflexion sur un cran l'aide d'un miroir plan et d'une lentille. - Comment volue cette figure d'interfrence au cours du temps ? Interprtations.

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Complments sur les rseaux (diffraction par N fentes)

Trac de l'intensit diffracte par N fentes de largeur a distante de d (Logiciel IGOR):I N = I 0N sin( Nud ) sin c (ua ) N sin(ud ) 2 2

avec I 0 N = N 2 I 01

et

u=

sin sin 0

Ci-dessous les cas N=1, N=2 (fentes d'Young), N=3, N=4, N=6, N=14 et N=50 fentes diffractantes (on a pos: d/a=3 et intensit normalise IN/I0N)

enveloppe de diffraction N=1 fente

diffraction par N=2 fentes

diffraction par N=3 fentes

diffraction par N=4 fentes

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diffraction par N=6 fentes

diffraction par N=14 fentes

diffraction par N=50 fentes

- La position des pics d'interfrences ne dpend pas bien sr du nombre N de fentes claires (d idem), mais l'intensit de ces pics varie comme N2 et leur largeur comme 1/N. Plus on a d'ondes qui interfrent, et plus le pic est fin et lumineux intrt des rseaux - La formule des rseaux reprant les pics d'interfrences est donne par la relation : k ud = k (entier ) = kp sin sin 0 = d (ici le pic k=3 est absent du fait de la valeur d/a=3 choisie. p=1/d est le pas du rseau). La formule des rseaux est aisment retrouvable par un calcul simple de diffrence de marche entre deux fentes distantes de d dans le cas de la diffraction l'infini.

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Interfrences et diffraction Matriel Poste n1 :

Diffraction par un bord d'cran. Point de Poisson.

- 1 laser pur. Doublet f=20 cm. - 3 fils pais sur support. Point de Poisson (bille mtallique sur support). lame de rasoir. Poste n2 :

Diffraction l'infini. Mesures par la diffraction

- 1 Laser He-Ne. 1 ouverture rectangulaire rglable. 1 fente fine rglable en largeur. - 1 trou de 100 200m + support. Poudre de lycopodes. Cheveu + support. - 1 rglet de 20-30cm et 1 mtre a ruban.

Poste n3 :

interfrences et diffraction : fentes dYoung et rseaux

- 1 diode laser verte. Fentes dYoung. Boite de rseaux + support. - 1 rglet 20 ou 30 cm et 1 mtre a ruban. - 3,4,6,14 fentes sur support en verre

Poste n4:

Interfrences en lumire blanche

- Lampe blanche. Fente fine rglable en largeur et en angle. - Biprisme. Miroir de Fresnel. Fentes d'Young. 1 lentille f=20cm - Filtre anticalorique. Camra Flexcam + moniteur couleur Poste n5 :

Diffraction acoustique

- Systme pizo-lectrique + Cuve remplie d'thanol pur. - 2 alimentations Leybold 380Volts 6Mhz - 1 diode laser. 1 oscillo numrique. 1 rglet de 1m. Poste n6 :

Franges d'gale paisseur d'une lame de savon

- Lampe blanche. 1 miroir plan. 1 doublet f=20cm. 1 cran. - Cadre mtallique + potence. Filtre anticalorique. - Solution stable pour lame de savon dans un petit becher + papier essui-tout.

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MagntismePoste n1 :

Paramagntisme. Diamagntisme. Courants de Foucault

La mise en vidence des proprits paramagntique ou diamagntique de certaines substances s'effectuera l'aide de laimant permanent PASCO form dun alliage Nodyme-Fer possdant la densit dnergie magntique la plus leve que lon sache raliser actuellement. - Observer lalignement d'un tube daluminium dans les lignes de champ magntique et montrer qu'un barreau de verre se met perpendiculairement ces mmes lignes de champ (voir complments). Mettre en vidence le paramagntisme de l'oxygne liquide (si matriel disponible). - Mettre en vidence les courants de Foucault avec le matriel votre disposition. Poste n2 :

Mesure de la susceptibilit diamagntique de l'thanol

Un tube en verre de petit diamtre, rempli d'thanol, possde une extrmit gradue que l'on introduit dans l'entrefer d'un lectro-aimant au niveau de la surface du liquide. Lorsque l'thanol est soumis un gradient de champ magntique, la force rsultante fait descendre le liquide dans le tube. La trs faible valeur de la susceptibilit diamagntique de l'thanol explique la petite variation du niveau (quelques diximes de mm), mesurable uniquement par une mthode optique impliquant un fort grandissement (40 au moins). - Mesurer la faible variation du niveau d'thanol dans le tube produite par le champ magntique. Attention: en prsence du champ magntique les pices polaires de l'lectro-aimant se resserrent, veillez donc choisir un cartement lgrement plus grand pour viter de casser le tube. Noter la valeur maximum du courant acceptable pour les bobines et vrifier de temps en temps, au toucher, une ventuelle surchauffe. - Mesurer la valeur du champ magntique dans l'entrefer l'aide du teslamtre. - En dduire la valeur de la susceptibilit magntique de l'thanol prsent dans le tube. Prcision. les tables donnent : thanol = 9 ,1 .10 6 thanol = 0.79 g / cm 3

Poste n3 :

Polarisation rotatoire magntique ou effet Faraday

Certaines substances deviennent optiquement actives lorsqu'elles sont soumises un champ magntique parallle la direction de propagation de la lumire : c'est l'effet Faraday. Un barreau cylindrique en verre Flint est susceptible de prsenter cet effet magnto-optique en prsence d'un fort champ magntique. Sous l'influence de ce champ, on constate une rotation de la direction de polarisation d'un faisceau lumineux traversant le barreau. L'angle de rotation est donn par la relation : = V B L avec L=30mm la longeur du barreau et V la constante de proportionalit de Verdet dpendant de la longueur d'onde du faisceau lumineux. - Placer le barreau dans l'entrefer d'un lectro-aimant entre deux polariseurs croiss ( B=0) - Mesurer l'angle de rotation de la polarisation lorsque l'on applique le champ et mesurer la suite le champ magntique dans l'entrefer l'aide du teslamtre. - En dduire la constante de Verdet de ce matriau. Prcision.

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Poste n4 :

Observation des domaines de Weiss

Vous disposez d'un chantillon constitu d'une couche mince de grenat ferrimagntique, possdant des domaines magntiques de "grandes dimensions" (quelques microns !). Pour des champs extrieurs appliqus infrieurs au champ de saturation, ce matriau devient polydomaines, chaque domaine tant spar de son voisin par une paroi de Bloch. La visualisation de ces domaines est rendue possible grce la rotation de la polarisation que leur aimantation rmanente produit par effet Faraday sur un faisceau de lumire blanche polarise. L'analyseur (polariseur) plac derrire l'chantillon permet alors de faire apparatre un contraste entre les domaines dont l'aimantation est dirige dans des sens opposs. On ralisera le montage suivant et on observera l'influence d'un barreau aimant:

Lampe blanche

Polariseur

Grenat Microscope ferrimagntique (sur lame )

Analyseur ( Polariseur)

Camra Flexcam

- Mesurer la taille caractristique des domaines de Weiss (calibration avec une mire micromtrique gradue) - Mesurer l'angle de rotation d l'effet Faraday.

Poste n5:

Phnomne de magntostriction

Lorsquune barre de matriau ferromagntique de longueur le est soumise une excitation magntique extrieure, elle va se contracter ou se dilater suivant le matriau utilis. Ce phnomne est appel magntostriction. On le reprsentera par le paramtre = l e / l e , l'allongement relatif de lchantillon. Vous disposez dun cube transparent, dune diode laser de longueur donde =656nm possdant un objectif escamotable et de deux barres ferromagntique (Fer et Nickel) sur lesquelles est fix un miroir plan (miroirs trs fragiles: attention en posant les barres sur la table) - Mettez en oeuvre un dispositif interfromtrique permettant de quantifier la variation relative de longueur de lchantillon en fonction du champ magntique appliqu (ou de l'intensit circulant dans le solenode). - En tudiant le comportement du systme lorsquon augmente le courant (on fera en sorte de travailler un niveau de courant infrieur 2 A), tracez la courbe donnant lvolution algbrique de en fonction du courant parcourant le solnode pour une des deux barres.

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Poste n6 :

Mesure du rapport e/me

Des lectrons, mis par un filament de tungstne chauff, sont acclrs sous une diffrence de potentiel reglable U pour former un faisceau homocintique. Ce faisceau d'lectron se propage dans un ballon en verre contenant une atmosphre rarfie d'hydrogne permettant de visualiser la trajectoire des lectrons par fluorescence. Deux bobines d'Helmholtz de rayon R, parcourues par un r courant d'intensit I, produisent un champ magntique B perpendiculaire la trajectoire des lectrons (voir complments). - Exprimer le rapport e/me en fonction de U, B et r le rayon de la trajectoire des lectrons. - Dans notre configuration exprimentale, nous considrerons que le champ B est homogne sur toute la trajectoire du faisceau d'lectron. Un calcul simple nous donne sa valeur : NI 4 B = 0 ( ) 3 / 2 N tant le nombre de spire d'une bobine. Exprimer numriquement le rapport R 5 e/me en fonction des paramtres mesurs U, I et r. Mesure de e/me et incertitudes.On donne : 0 = 4 .10 7

Poste n7 :

Champ magntique terrestre : boussole des tangentes

On propose de dterminer exprimentalement la valeur de la composante horizontale BH du champ magntique terrestre. On utilise pour cela une mthode permettant de mesurer l'angle de dviation d'une aiguille aimante soumis au champ magntique B0 d'une bobine parcourue par un courant I. La direction prise par cette aiguille est alors la rsultante des deux champs B0 et BH. - Etudier un protocole exprimental permettant de mesurer assez prcisment l'angle de dviation de l'aiguille aimante. Quel est l'intrt ici d'utiliser un inverseur de courant ? (interrupteur bipolaire double mont en inverseur) - En faisant varier l'intensit parcourant la bobine, retrouver graphiquement la valeur du champ magntique terrestre. Incertitudes. BH = 2 10-5 Tesla.

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Complments:

Diamagntisme et Paramagntisme

I) Phnomnologie Toute substance est forme d'un ensemble d'atomes ou de molcules qui peuvent ou non prsenter un moment magntique permanent. Le diamagntisme concerne les substances qui ne possdent pas de moment magntique permanent, le paramagntisme concerne les substances dont les moments magntiques permanents sont sans interactions mutuelles. Les substances comportant des atomes ou molcules dont les moments magntiques permanents sont en forte interaction mutuelle donnent naissance au ferro, antiferro et ferrimagntisme. Le diamagntisme trouve son origine dans la modification du mouvement orbital des lectrons sous l'influence d'un champ magntique appliqu la substance. Selon la loi de Lenz, les courants induits donnent naissance un flux d'induction oppos la variation du champ appliqu. Ce magntisme est aussi prsent pour les atomes ou molcules prsentant aussi un moment magntique, mais il est si faible qu'il est totalement masqu par les autres phnomnes magntiques. Le diamagntisme ne dpend gnralement pas de la temprature. Le paramagntisme trouve gnralement son origine dans l'alignement des moments magntiques permanents des atomes ou molcules sous l'influence d'un champ magntique appliqu la substance, faisant ainsi apparatre une aimantation induite parallle au champ. Cette aimantation est d'autant plus faible que la temprature est leve, c'est dire que l'agitation thermique est importante (loi de Curie). II) Mise en vidence La mise en vidence exprimentale du diamagntisme et du paramagntisme est obtenue par l'intermdiaire d'un champ magntique inhomogne gnr dans l'entrefer d'un lectroaimant ou d'un aimant permanent. Un calcul simple montre que la force volumique exerce est fonction du gradient de champ magntique ainsi que de la susceptibilit magntique m propre la substance tudie : r f = m grad B 2 2 0 r r m est le facteur de proportionnalit entre le vecteur aimantation M et le champ H appliqu : r r M = m H (en gnral on a m 0 La substance est dite paramagntique. La force est alors dirige dans le sens du gradient de champ magntique. Elle tend alors par exemple aligner un barreau d'aluminium paralllement aux lignes de champ ou dvier un filet d'oxygne liquide que l'on fait couler dans l'entrefer d'un lectro-aimant.grad B 2

grad B 2

30

* m