diff --git a/00.brainstorming-pedagogical-teams/45.synthesis-structuring/40.electromagnetism/50.structure-example/30.n3/textbook.en.md b/00.brainstorming-pedagogical-teams/45.synthesis-structuring/40.electromagnetism/50.structure-example/30.n3/textbook.en.md new file mode 100644 index 000000000..602b32370 --- /dev/null +++ b/00.brainstorming-pedagogical-teams/45.synthesis-structuring/40.electromagnetism/50.structure-example/30.n3/textbook.en.md @@ -0,0 +1,378 @@ +--- +title: Exemple de structure possible sur le thème "Electromagnétisme" +published: true +routable: true +visible: false +lessons: + - slug: structure-example-123-electromagnetism + order: 3 + - slug: structure-example-234-electromagnetism + order: 2 +--- + + +$`\def\oint{\displaystyle\mathop{{\int}\mkern-16mu \scriptsize \bigcirc}}`$ + +#### Conseils pour penser la structuration de ce niveau 3 + +C'est l'**équivalent de la première ou des deux premières années à l'université**. +Il y a un grand saut avec le niveau inférieur. Mais nous ne sommes pas limités +à un nombre d'heures ou de pages. Nous pouvons faire une progression tranquille et maîtrisée +à l'intérieur même de ce niveau 3. + +Le lycée n'est pas homogène, il y a des filières, spécialités et options, et par ailleurs +les programmes varient aussi selon les pays et les époques. Certains outils mathématiques +de niveau N3 peuvent être vus déjà au lycée. A l'inverse, il est possible que certains thèmes +de notre niveau N2, ne soient pas vus au lycée. **Pensez ces niveaux 2 et 3 librement et** +**sans références en tête**. + +Même à l'intérieur d'un niveau, il faut être très progressif, nous avons l'espace pour cela. +Le gap ne doit pas être trop grand d'un niveau à l'autre, pour ne pas démotiver +les étudiants. + + +##### Les blocs + +Dans ce niveau 3, les **blocs** sont importants parce qu'ils **permettent de différencier** +**les étudiants**. Par exemple nous pouvons faire un bloc électrostatique pour des +étudiants qui souhaitent s'arrêter à ce niveau 3 en électromagnétisme. Cela peut être +un bloc avec seulement des calculs directs, et la notion de dipôle électrique. Mais +sans le théorèmes de Gauss et l'opérateur divergence, qui seront mis dans un autre +bloc pour les étudiants qui doivent préparer la maîtrise des équations de +l'électromagnétisme de Maxwell au niveau 4. + +Plus tard on pourra associer une metadonnée dans le fichier, pour sélectionner certains +blocs et proposer des circuits pédagogiques spécifiques selon le souhait de l'étudiant. + +Utilisez donc les blocs pour **cibler les différentes pré-spécialités** au sein +de ce niveau 3. + +Note : Un bloc, qui peut contenir plusieurs chapitres et de nombreuses figures, peut être +assez lourd, mais l'estimation est que un bloc affiché dans un mode de présentation, +s'affiche relativement rapidement en 4G (même hors connection wifi). Un bloc correspondra +fort probablement à 1 page web de M3P2, sinon 2 ou 3. + +-------------------------------------------------------------------------------- + +##### Code de couleurs de blocs dans cette étape de conception : + +!! BLOC : tous les étudiants qui entrent dans ce niveau 3 + +!!!! BLOC étudiants qui devront maîtriser l'électromagnétisme de Maxwell au niveau 4 + +-------------------------------------------------------------------------------- + +#### Un exemple de ce qu'il faut arriver à faire en terme de structure : niv 3 + +!! *BLOC ELMAG3-1* +!! +!! *Titre possible* : Schéma conceptuel de l'électromagnétisme +!! +!! *Description succincte :*
+!! Une introduction sur les niveaux 3 et 4 de l'enseignement de l'électromagnétisme +!! destiné aux physiciens et autres qui devront maîtriser les équations de Maxwell. +!! Et un guide d'apprentissage sur les niveaux 3 et 4. +!! +!! *Eleménts de programme, ou structuration en chapitre* : +!! * donner une vision générale de l'électromagnétisme, le cycle :
+!! charges en mouvements
+!! $`=`$ (4 equations de Maxwell) $`\Longrightarrow`$
+!! forces de Lorentz sur les charges
+!! $`=`$ (Dynamique $`\overrightarrow{dp}=\overrightarrow{F}.dt)\Longrightarrow`$
+!! modification du mouvement des charges.
+!! * domaine de validité +!! * bref historique +!! * guide d'apprentissage du niveau 3 et des blocs pour tous au niveau 4 : +! pourquoi d'abord électrostat, magnétosta, +!! pourquoi outil mathématique divergence, rotationnel, etc...,
+!! différence entre électromag dans le vide, et dans la matière (moyennes des champs +!! dans des volumes mésoscopiques), ... +!! +!! *Pour qui ?* tous, à ce niveau 3. + +-------------------------------------------------------------------------------- + +!! *BLOC ELMAG3-2* +!! +!! *Titre possible* : *Introduction aux phénomènes électromagnétiques* +!! +!! *Description succincte :* Une vision générale des phénomènes électromagnétiques +!! de niveau N3, en privilégiant l'étude phénoménologique avec l'outil mathématique +!! de niveau N3 privée des outils divergence et rotationnel (on peut les citer et donner +!! la signification intuitive, mais ne pas aller plus loin) nécessaire pour +!! l'électromagnétisme de Maxwell. +!! +!! *Eleménts de programme, ou structuration en chapitre* : +!! Les causes du champ électrique ( statique : charges ; et variable : B variable, +!! donc en particulier courants variables, courants et aimants se déplaçant). +!! Les causes du champ magnétiques ( statique : courants constants ; et variable E variable, +!! donc en particulier courants variables, courants et aimants se déplaçant). +!! +!! *Pour qui ?* Pour qui ? tous (physique, biologie, écologie, etc…) de niveau N3. + +-------------------------------------------------------------------------------- + +!! *BLOC ELMAG3-3* +!! +!! *Titre possible* : Electrostatique dans le vide : calculs directs +!! +!! *Description succincte :* Electrostatique : E et V, avec relation intégrale (circulation) +!! et locale (gradient) entre E et V. Calculs directs de E créé par des charges, et +!! de F induit par E sur des charges, introduction au dipôle électrique +!! (force et moment qui s'exerce sur lui, et champ E qu'il créé à grande distance). +!! +!! *Eleménts de programme, ou structuration en chapitre* : +!! +!! *Pour qui ?* tous (physique, biologie, écologie, etc…) de niveau N3. + +-------------------------------------------------------------------------------- + +!!!! *BLOC ELMAG3-4* +!!!! +!!!! *Titre possible* : Electrostatique dans le vide : premiers pas vers les équations de Maxwell +!!!! +!!!! *Description succincte :* Théorème de Gauss (intégral et local) et tout l'outil +!!!! conceptuel et mathématique associé : symétries, vecteurs et pseudo vecteurs, divergence, +!!!! rotationnel, laplacien, équation de Poisson +!!!! +!!!! *Eleménts de programme, ou structuration en chapitre* : +!!!! établir au final $`div\overrightarrow{E}=\rho/\epsilon_0`$, mais aussi +!!!! $`\overrightarrow{rot}\overrightarrow{E}=\overrightarrow{0}`$ +!!!! et $`\Delta V = \rho/\epsilon_0`$ +!!!! +!!!! +!!!! *Pour qui ?* physiciens et autres qui devront maîtriser les équations de Maxwell. + +-------------------------------------------------------------------------------- + +!! *BLOC ELMAG3-5* +!! +!! *Titre possible* : Les milieux conducteurs (soumis à E stationnaire) +!! +!! *Description succincte :* milieux conducteur & semiconducteurs, charges liées +!! ET présence de charges libres, vitesse thermique. +!! Matériaux (solide) cond. et semi-cond soumis à E stationnaire : vitesse de dérive, notion de trou +!! Cond. participant à circuit conducteur fermé : vecteur densité volumique de courant, +!! puis surfacique, intensité, résistivité-conductivité (prop locale) et résistance, +!! Loi d'Ohm (locale et intégrale), équationd de conservation de la charge (tous voient +!! ou revoient ici la divergence) +!! Cond. isolé : champ électrique exterieur/interne/total, transitoire : champ E extérieur => charges libres +!! en surface, équilibre => Etotal=0 => équipotentielle & densité volumique de charge nulle +!! (justification phénoménologique, et par Th Gauss cité pour tous) +!! vers cage de Faraday et ondes EM (même si c'est E variable) +!! +!! *Idée* : c'est pour tous au niveau 3. Si c'est trop détaillé pour certains, il +!! reste une description de ce thème au niveau 2 +!! +!! *Eleménts de programme, ou structuration en chapitre* : +!! +!! *Pour qui ?* tous au niveau 3 + +-------------------------------------------------------------------------------- + +!! *BLOC ELMAG3-6* +!! +!! *Titre possible* : Les milieux diélectriques 1 (soumis à Eext stationnaire) +!! +!! *Description succincte :* Description succincte : milieu diélectrique, moment dipolaire +!! électrique, phénomènes à l'origine des moments dipolaires, vecteur polarisation, +!! polarisation électronique, atomique et d'orientation, relation E et P, milieux LHI : +!! susceptibilité, polarisation uniforme, non uniforme, densité volumique de charges +!! de polarisation, densité surfacique de charges de polarisation, interface diélectrique/conducteur +!! avec diélectrique isotrope/anisotrope, vecteur induction électrique, liens entre D, E, P,ε, ε_0, ε_r, χe +!! (tout cela pour E stationnaire, mais dans "au-delà, on indique que cela dépendra de la fréquence +!! du champ E =>N4) +!! +!! *Idée* : c'est pour tous au niveau 3. Si c'est trop détaillé pour certains, il +!! reste une description de ce thème au niveau 2 +!! +!! *Eleménts de programme, ou structuration en chapitre* : +!! +!! *Pour qui ?* tous au niveau 3 + +-------------------------------------------------------------------------------- + +!!!! *BLOC ELMAG3-7* +!!!! +!!!! *Titre possible* : Les milieux diélectriques 2 (soumis à Eext stationnaire) +!!!! +!!!! *Description succincte :* Théorème de Gauss (intégral et local) exprimé +!!!! avec E, puis avec D +!!!! +!!!! *Eleménts de programme, ou structuration en chapitre* : +!!!! +!!!! +!!!! *Pour qui ?* physiciens et autres qui devront maîtriser les équations de Maxwell +!!!! dans la matière et aux interfaces + +-------------------------------------------------------------------------------- + +!! *BLOC ELMAG3-8* +!! +!! *Titre possible* : Les condensateurs (soumis à E stationnaire) +!! +!! *Description succincte :* Conducteurs en influence totale - condensateurs +!! - capacité - avec et sans diéléctrique - série et en parallèle - énergie - et ? +!! +!! *Eleménts de programme, ou structuration en chapitre* : +!! +!! *Pour qui ?* tous au niveau 3 + +-------------------------------------------------------------------------------- + +!! *BLOC ELMAG3-9* +!! +!! *Titre possible* : Magnétostatique dans le vide : calculs directs +!! +!! *Description succincte :* B (induction) et, H!(excitation) et calculs directs +!! divers,
+!! Les causes du champ magnétique, calculs directs de B/H (fil infini et +!! que peut-on dire de B/H créé par une nappe de courant, par boucle de courant circulaire +!! en un point de son axe, et loin de la boucle (analogie avec E, car pas B=rotA), et +!! invariance par rapport à la forme exacte de la boucle dans son plan. Notion de +!! dipôle magnétique.
+!! Les effets de B : calculs de forces induites par B, entre 2 conducteurs rectilignes +!! infinis parcouru par I cst, force et moment exercés par B sur une boucle circulaire +!! rigide de courant, vers l'action d'un B sur un dipôle magnétique. +!! +!! *Idée* : c'est pour tous au niveau 3. Si c'est trop détaillé pour certains, il +!! reste une description de ce thème au niveau 2 +!! +!! *Eleménts de programme, ou structuration en chapitre* : +!! +!! *Pour qui ?* tous au niveau 3 + +-------------------------------------------------------------------------------- + +!!!! *BLOC ELMAG3-10* +!!!! +!!!! *Titre possible* : Magnétostatique dans le vide : premiers pas vers les équations +!!!! de Maxwell +!!!! +!!!! *Description succincte :* Théorème d'Ampères (intégral et local) et tout l'outil +!!!! conceptuel et mathématique divergence, rotationnel, nécessaire aux équations de +!!!! Maxwell , B = rot (A), lien entre A et j, retour sur champ B/H créé par boucle +!!!! circulaire de courant loin ed la boucle. +!!!! +!!!! *Eleménts de programme, ou structuration en chapitre* : +!!!! établir au final $`rot\overrightarrow{H}=\overrightarrow{j}`$ / +!!!! $`rot\overrightarrow{B}=\mu_0\overrightarrow{j}`$ ET $`\oint \overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dS}=0`$, +!!!! Pointer la différence entre $`\displaystyle\int`$ et $`\oint`$ : cas du champ magnétique. +!!!! +!!!! *Pour qui ?* physiciens et autres qui devront maîtriser les équations de Maxwell. + +-------------------------------------------------------------------------------- + +!! *BLOC ELMAG3-11* +!! +!! *Titre possible* : Les milieux magnétique 1 (soumis à Bext stationnaire) +!! +!! *Description succincte :* milieux magnétiques, moment magnétiques : orbital et de spin, +!! aimantation M, aimantation : approche ampérienne à ce niveau N3, +!! aimantation non uniforme => vecteur densité volumique de courants d'aimantation , +!! uniforme/non uniforme => vecteur densité surfacique de courant d'aimantation, +!! paramagnétisme/diamagnétisme/ferromagnétisme. +!! liens entre H, B, M ,μ, μ_0, μ_r, χ_m, dans milieux LHI ou non +!! +!! *Idée* : c'est pour tous au niveau 3. Si c'est trop détaillé pour certains, il +!! reste une description de ce thème au niveau 2 +!! +!! *Eleménts de programme, ou structuration en chapitre* : +!! +!! *Pour qui ?* tous au niveau 3 + +-------------------------------------------------------------------------------- + +!!!! *BLOC ELMAG3-12* +!!!! +!!!! *Titre possible* : Les milieux magnétique 2 (soumis à Bext stationnaire) +!!!! +!!!! *Description succincte :* théorème d'Ampère en fonction de B , puis de H +!!!! +!!!! *Pour qui ?* physiciens et autres qui devront maîtriser les équations de Maxwell +!!!! dans la matière et aux interfaces + +-------------------------------------------------------------------------------- + +!! *BLOC ELMAG3-13* +!! +!! *Titre possible* : Phénomènes d'induction électromagnétique : premiers pas +!! +!! *Description succincte :* Pour ceux qui en resteront à ce niveau 3, sans atteindre +!! les équations de Maxwell. +!! +!! *Eleménts de programme, ou structuration en chapitre* : +!! le couplage électromagnétique, +!! force électromotrice $`e=-d\Phi/dt`$ et conséquences. +!! +!! *Pour qui ?* tous au niveau 3 + +-------------------------------------------------------------------------------- + +!! *BLOC ELMAG3-14* +!! +!! *Titre possible* : Les ondes électromagnétiques : premiers pas +!! +!! *Description succincte :* Pour ceux qui en resteront à ce niveau 3, sans atteindre +!! les équations de Maxwell. +!! +!! *Eleménts de programme, ou structuration en chapitre* : +!! Description des ondes électromagnétiques. +!! En lien très fort avec un autre thème à ouvrir +!! sur les "ondes" à construire (les ondes en générales, qui se diversifieront au fur et à mesure que +!! l'on monte dans les niveaux) +!! +!! *Pour qui ?* tous au niveau 3 + +-------------------------------------------------------------------------------- + +!! *BLOC ELMAG3-15* +!! +!! *Titre possible* : Selfs et transformateurs +!! +!! *Description succincte :* bobine=solénoïde=self - inductance - +!! avec et sans noyau ferromagnétique - série et parallèle - énergie - et ? +!! +!! *Idée* : c'est pour tous au niveau 3. Si c'est trop détaillé pour certains, il +!! reste une description de ce thème au niveau 2 +!! +!! *Eleménts de programme, ou structuration en chapitre* : +!! +!! *Pour qui ?* tous au niveau 3 + +-------------------------------------------------------------------------------- + +!!!! *BLOC ELMAG3-16* +!!!! +!!!! *Titre possible* : Interfaces, diodes et transistors ? +!!!! +!!!! *Description succincte :* +!!!! +!!!! *Pour qui ?* physiciens, électroniciens, Télécoms + +-------------------------------------------------------------------------------- + +!! *BLOC ELMAG3-17* +!! +!! *Titre possible* : Les circuits électriques +!! +!! *Description succincte :* Générateurs de tension, générateurs de courant, +!! récepteurs. Lois de Kirchhoff, théorème de superposition, théorème de Thévenin, +!! théorème de Norton. Relation de Millman. +!! Les courants variables et les courants alternatifs dans +!! l’approximation des régimes quasi–stationnaires. +!! Régimes propres, régimes transitoires, constante de temps, régime forcé. +!! Représentation de Fresnel, utilisation des complexes, puissance en alternatif, résonance. +!! Utilisation des complexes, charge et décharge d’un condensateur, ponts en alternatif, +!! circuits LC, RLC +!! +!! *Idée* : c'est pour tous au niveau 3. Si c'est trop détaillé pour certains, il +!! reste une description de ce thème au niveau 2 +!! +!! *Eleménts de programme, ou structuration en chapitre* : +!! +!! *Pour qui ?* tous au niveau 3 + +-------------------------------------------------------------------------------- + +autres