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FACULTÉ 
DES SCIENCES 
D’ORSAY 
LES PLATEFORMES EXPERIMENTALES EN PHYSIQUE 
L3-M1
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(VERSION SEPTEMBRE 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, herve.dole@ias.u-psud.fr 
Plateforme Centrale de nanotechnologies. 
Responsables : Elisabeth Dufour-Gergam, Guillaume Agnus, François Maillard (IE)
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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, nicolas.vernier@u-psud.fr, donia.baklouti@u-psud.fr, georges.gauthier@u-psud.fr, guillaume.krebs@u-psud.fr 
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, mehdi.zeghal@u-psud.fr, fabrice.bert@u-psud.fr 
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, yann.bertho@u-psud.fr 
Responsable Matière Molle : Anniina Salonen, anniina.salonen@u-psud.fr 
La plateforme Microscopie Electronique 
Responsable : Odile Stephan, Alberto Zobelli
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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, alexandre.dazzi@u-psud.fr 
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, gaulard@csnsm.in2p3.fr 
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
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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, frederic.bouquet@u-psud.fr 
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
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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
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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 
Courbe de pression de vapeur saturante de l'eau obtenue, avec test de la loi de Dupré 02550751001251.01.52.02.5 Pression (bar) Volume (cm3) 607080901001100.20.40.60.81.01.21.4L=A-BT ⇒ L = 2300J.g-1Modèle: loi de DupréP0235.7A/R4547.4B/R-1.14 PS (bar) T (°C)
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uniquement de l'eau liquide en contact avec de la vapeur d'eau
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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
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 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 
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
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Mesure de la tension superficielle d’un liquide par la méthode de la goutte pendante (b) et montée capillaire (b) 
0,00,51,00,000000,000080,00016 elongation [μm/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.
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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. 
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
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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
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Un des montages RX 
Le nouveau spectromètre RMN (projet) 
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
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Fluorescence X : principe et spectre 
Spectroscopie RMN : 
Exemple de modification des spectres lors de l’étirement d’un élastomère 
PLATEFORME MICROSCOPIE DE CHAMP PROCHE
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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.
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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 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.).
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* 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 thermique correspondante (bleu isolant).
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*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
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PLATEFORME ONDES-OPTIQUE ET LASER 
PRESENTATION 
La plateforme de travaux pratiques Ondes-Optique et Laser propose 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 
• Laser 
• Physique atomique 
- Effet Zeeman (6 postes) 
- Effet Brossel (2 postes) 
- Laser à colorant (4 postes) 
- Speckle (6 postes) 
- Filtrage spatial (4 postes) 
- Doublage de fréquence (4 postes) 
- Polarisation (6 postes) 
- Michelson (6 postes) 
- Fabry-Pérot (6 postes)
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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. 
Pour les TP mettant en oeuvre 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 
Salle du TP Fabry Pérot
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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 
C’est 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. 
LASER 
TP laser à colorant 
Les étudiants construisent une cavité laser de type incidence rasante mettant en oeuvre un réseau et couplée à une cellule à colorant pompée optiquement par un laser YAG pulsé (532 nm). Ils caractérisent l’accordabilité du
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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 oeuvre 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 oeuvre 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 oeuvre 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. 
PHYSIQUE ATOMIQUE 
TP Effet Zeeman
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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.
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- 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). 
RESPONSABLES – EQUIPE ENSEIGNANTE- SOUTIEN TECHNIQUE 
La responsabilité de cette plateforme est assurée par 
• Séverine Boyé-Péronne : severine.boye-peronne@u-psud.fr pour les montages suivants : Laser à colorant- Filtrage spatial - Doublage de fréquence - Effet Brossel 
• Marion JACQUEY : marion.jacquey@u-psud.fr pour les montages suivants : Polarisation - Fabry-Pérot – Michelson – OCT – Speckle - Effet Zeeman 
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 avec les chiffres 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
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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 : 30-40 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
37 
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 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
38 
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 
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
39 
bruit électromagnétique. 
Découverte de la matière molle : 
rhéomètre à bille 
Projet en cours
40 
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
41 
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.
42

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  • 1. 1 FACULTÉ DES SCIENCES D’ORSAY LES PLATEFORMES EXPERIMENTALES EN PHYSIQUE L3-M1
  • 2. 2
  • 3. 3 (VERSION SEPTEMBRE 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, herve.dole@ias.u-psud.fr Plateforme Centrale de nanotechnologies. Responsables : Elisabeth Dufour-Gergam, Guillaume Agnus, François Maillard (IE)
  • 4. 4 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, nicolas.vernier@u-psud.fr, donia.baklouti@u-psud.fr, georges.gauthier@u-psud.fr, guillaume.krebs@u-psud.fr 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, mehdi.zeghal@u-psud.fr, fabrice.bert@u-psud.fr 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, yann.bertho@u-psud.fr Responsable Matière Molle : Anniina Salonen, anniina.salonen@u-psud.fr La plateforme Microscopie Electronique Responsable : Odile Stephan, Alberto Zobelli
  • 5. 5 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, alexandre.dazzi@u-psud.fr 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, gaulard@csnsm.in2p3.fr 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
  • 6. 6 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, frederic.bouquet@u-psud.fr Site Web : http://hebergement.u-psud.fr/projetsdephysiquestatistique Plateforme Plasma: Responsable : Catherine Krafft
  • 7. 7
  • 8. 8 PLATEFORME ASTRONOMIE OBJECTIFS ET DESCRIPTION FILIERES UTILISATRICES LA PLATEFORME EN IMAGES
  • 9. 9 La coupole d’Astrophysique RAMEAU = Le « jardin » des 10 radiotélescopes
  • 10. 10 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
  • 11. 11 LA PLATEFORME EN IMAGES Panneau Photovoltaïque Chauffage solaire
  • 12. 12 Pompe à chaleur Echangeur de Chaleur
  • 13. 13 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 Courbe de pression de vapeur saturante de l'eau obtenue, avec test de la loi de Dupré 02550751001251.01.52.02.5 Pression (bar) Volume (cm3) 607080901001100.20.40.60.81.01.21.4L=A-BT ⇒ L = 2300J.g-1Modèle: loi de DupréP0235.7A/R4547.4B/R-1.14 PS (bar) T (°C)
  • 14. 14 uniquement de l'eau liquide en contact avec de la vapeur d'eau
  • 15. 15 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
  • 16. 16  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 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
  • 17. 17 Mesure de la tension superficielle d’un liquide par la méthode de la goutte pendante (b) et montée capillaire (b) 0,00,51,00,000000,000080,00016 elongation [μm/m] Force applied x Distance from the end Machine de traction Mesure du coefficient de flexion de l’aluminium
  • 18. 18 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.
  • 19. 19 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. 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
  • 20. 20 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.
  • 21. 21 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
  • 22. 22 Un des montages RX Le nouveau spectromètre RMN (projet) 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
  • 23. 23 Fluorescence X : principe et spectre Spectroscopie RMN : Exemple de modification des spectres lors de l’étirement d’un élastomère PLATEFORME MICROSCOPIE DE CHAMP PROCHE
  • 24. 24 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.
  • 25. 25 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 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.).
  • 26. 26 * 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 thermique correspondante (bleu isolant).
  • 27. 27 *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
  • 28. 28
  • 29. 29
  • 30. 30 PLATEFORME ONDES-OPTIQUE ET LASER PRESENTATION La plateforme de travaux pratiques Ondes-Optique et Laser propose 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 • Laser • Physique atomique - Effet Zeeman (6 postes) - Effet Brossel (2 postes) - Laser à colorant (4 postes) - Speckle (6 postes) - Filtrage spatial (4 postes) - Doublage de fréquence (4 postes) - Polarisation (6 postes) - Michelson (6 postes) - Fabry-Pérot (6 postes)
  • 31. 31 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. Pour les TP mettant en oeuvre 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 Salle du TP Fabry Pérot
  • 32. 32 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 C’est 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. LASER TP laser à colorant Les étudiants construisent une cavité laser de type incidence rasante mettant en oeuvre un réseau et couplée à une cellule à colorant pompée optiquement par un laser YAG pulsé (532 nm). Ils caractérisent l’accordabilité du
  • 33. 33 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 oeuvre 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 oeuvre 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 oeuvre 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. PHYSIQUE ATOMIQUE TP Effet Zeeman
  • 34. 34 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.
  • 35. 35 - 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). RESPONSABLES – EQUIPE ENSEIGNANTE- SOUTIEN TECHNIQUE La responsabilité de cette plateforme est assurée par • Séverine Boyé-Péronne : severine.boye-peronne@u-psud.fr pour les montages suivants : Laser à colorant- Filtrage spatial - Doublage de fréquence - Effet Brossel • Marion JACQUEY : marion.jacquey@u-psud.fr pour les montages suivants : Polarisation - Fabry-Pérot – Michelson – OCT – Speckle - Effet Zeeman 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 avec les chiffres 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
  • 36. 36 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 : 30-40 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
  • 37. 37 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 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
  • 38. 38 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 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
  • 39. 39 bruit électromagnétique. Découverte de la matière molle : rhéomètre à bille Projet en cours
  • 40. 40 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
  • 41. 41 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.
  • 42. 42