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École Normale Supérieure de Lyon

Agrégation de physique

Plans de leçons et de montages

Ce document contient les plans de leçons et montages que j"aipréparés pour l"agrégation de physique-chimie option physique 2014. Chaque fiche contient une bibliographie, le plan prévu pour la leçon, et éventuellement certains com- mentaires ou démonstrations supplémentaires. Une description rapide des mani- pulations effectuées lors des montages est ajoutée. Ces plans ne sont pas tous bons et sont personnels : ils présentent un point de vue, partial et discutable, sur chaque leçon. Il peut rester quelques coquilles, et certaines leçons ont été faites trop rapidement, ou en manquant de recul.

Charles-EdouardLecomte

charlesedouard.lecomte@ens-lyon.fr

Table des matières

I Leçons de physique5

1.

Contact entre deux solides. Frottement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 6

2.

Caractère non-galiléen du référentiel terrestre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 8

3.

Approximation gyroscopique : effets dans les domaines macroscopiques et microscopiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4.

Lois de conservation en dynamique des systèmes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12

5.

Cinématique relativiste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

6.

Dynamique relativiste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

7.

Notion de viscosité d"un fluide. Écoulements visqueux.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

8.

Modèle de l"écoulement parfait d"un fluide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 20

9.

Phénomènes interfaciaux impliquant des fluides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 22

10.

Gaz parfait, gaz réels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

11.

Premier principe de la thermodynamique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 26

12.

Évolution et condition d"équilibre d"un système thermodynamique fermé. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

13.

Application des deux principes de la thermo. au fonctionnement des machines thermiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

14.

Étude thermodynamique d"un système constitué par un corps pur sous plusieurs phases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

15.

Étude statistique d"un système en contact avec un thermostat. Probabilité canonique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

16.

Rayonnement d"équilibre thermique. Corps noir. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 36

17.

Phénomènes de transport. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

18.

Flux conductifs, convectifs, radiatifs, bilans thermiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

19.

Conversion de puissance électromécanique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 42

20.

Induction électromagnétique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 44

21.

Résonance magnétique nucléaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 48

22.

Rétroaction et oscillations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

23.

Traitement analogique d"un signal électrique - Étude spectrale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

24.

Ondes progressives, ondes stationnaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 54

25.

Ondes acoustiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

26.

Propagation dans un milieu dispersif. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 58

27.

Propagation guidée des ondes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 60

28.

Ondes électromagnétiques dans les milieux diélectriques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

29.

Ondes électromagnétiques dans les conducteurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 64

30.

Propriétés et applications du rayonnement dipolaire électrique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

31.

Présentation de l"optique géométrique à l"aide du principede Fermat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

32.

Interférences à deux ondes en optique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 70

33.

Interféromètres à division d"amplitude. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 72

34.

Diffraction de Fraunhofer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

35.

Diffraction par des structures périodiques dans différents domaines de la physique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

36.

Émission et absorption de la lumière. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 78

37.

Aspects corpusculaires du rayonnement. Notion de photon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

38.

Aspects ondulatoires de la lumière. Notion de fonction d"onde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

39.

Confinement de l"électron et quantification de l"énergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

40.

Effet tunnel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

41.

Fusion, fission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

42.

Oscillateurs à deux degrés de liberté en mécanique classique et en mécanique quantique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

43.

La molécule : stabilité, énergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 92

44.

Capacités thermiques : description, interprétations microscopiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

45.

Paramagnétisme, ferromagnétisme : approximations de champ moyen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

46.

Propriétés microscopiques des corps ferromagnétiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

47.

Mécanisme de la conduction électrique dans les solides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

48.

Phénomènes de résonance dans différents domaines de la physique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

49.

Oscillateurs, portraits de phase et non-linéarités. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 104

1 PLANS DE LEÇONS ET MONTAGESAGRÉGATION DE PHYSIQUE

II Leçons de chimie106

1.

Chimie et couleur (L). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

2.

Stéréochimie (L). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

3.

Solubilité (L). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

4.

Conversion d"énergie chimique (L). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 118

5.

Séparations, purifications, et contrôle de pureté (L). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120

6.

Matériaux polymères (L). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

7.

Chimie et développement durable (L). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 124

8.

Synthèses inorganiques (L). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 126

9.

Stratégie en synthèse organique (L). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 128

10.

Dosage par étalonnage (L). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

11.

Dosage par titrage (L). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

12.

Optimisation des cinétiques de réaction (L). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 134

13.

Synthèse organique : caractérisation par spectroscopie (L). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

14.

Relation structure-réactivité en chimie organique (L). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

15.

Réaction chimique par échange de proton (L). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 140

16.

Capteurs électrochimiques (L). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 142

17.

Molécules de la santé (L). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

18.

Structure et propriétés des molécules du vivant (L). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 146

19.

Solvants (CP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

20.

Classification périodique (CP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 152

21.

Solides cristallins (CP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

22.

Réactions d"oxydoréduction (CP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 156

23.

Réactions de précipitation (CP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 158

24.

Dosage par potentiométrie (CP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 160

25.

Dosage acido-basiques (CP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 162

26.

Cinétique homogène (CP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

27.

Évolution et équilibre chimique (CP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 166

28.

Optimisation d"un processus de synthèse industrielle (CP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

29.

Hydrométallurgie (CP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

30.

Diagrammes potentiel-pH (construction exclue) (CP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

31.

Corrosion humide des métaux (CP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 174

32.

Conformations et configurations (CP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 176

III Montages de physique178

1.

Dynamique newtonienne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

2.

Surfaces et interfaces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

3.

Dynamique des fluides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

4.

Capteurs de grandeurs mécaniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 186

5.

Mesures de température. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

6.

Transitions de phase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

7.

Instruments d"optique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

8.

Interférences lumineuses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

9.

Diffraction des ondes lumineuses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 196

10.

Spectrométrie optique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

11.

Émission et absorption de la lumière. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 200

12.

Photorécepteurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

13.

Biréfringence, pouvoir rotatoire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 204

14.

Polarisation des ondes électromagnétiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 206

15.

Production et mesure de champs magnétiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 208

16.

Milieux magnétiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

17.

Métaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

18.

Matériaux semi-conducteurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 216

19.

Effets capacitifs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

20.

Induction, auto-induction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

21.

Production et conversion d"énergie électrique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 222

22.

Amplification de signaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

23.

Mise en forme, transport et détection de l"information. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

24.

Acquisition, analyse et traitement des signaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 228

25.

Mesure de fréquences temporelles (domaine de l"optique exclu). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

2 PLANS DE LEÇONS ET MONTAGESAGRÉGATION DE PHYSIQUE

26.Mesure de longueurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

27.

Systèmes bouclés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

28.

Instabilités et phénomènes non-linéaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 236

29.

Ondes, propagation et conditions aux limites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 238

30.
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