Neste trabalho apresentamos uma investigação desenvolvida ao longo de três anos em cursos introdutórios de Física da Universidade Federal do Rio Grande. O objetivo foi minimizar a dicotomia observada entre teoria e laboratório. A estratégia de ensino utilizada nas disciplinas de Física Geral para Engenharia fez uso do Vê de Gowin, um dispositivo heurístico capaz de explicitar como se dá o processo de produção do conhecimento científico. A construção de diagramas Vê foi utilizada para auxiliar na compreensão de textos nas aulas teóricas e como alternativa aos tradicionais relatórios nas aulas experimentais. A professora também fez uso dos Vês para organizar o ensino, em especial das aulas de laboratório. Alicerçados na teoria da aprendizagem significativa de Ausubel e Novak e nas teorias de ensino de Gowin e Moreira, e fundamentados em algumas idéias-chave de epistemólogos e filósofos da ciência contemporâneos, procuramos estimular uma integração entre teoria e experimentação, buscando contribuir para uma compreensão mais efetiva dos conceitos físicos e das concepções epistemológicas veiculadas nas aulas de Física. Na pesquisa, optamos por uma metodologia interpretativa, de imersão, mas também fizemos uso de vários dados quantitativos, procurando indícios da validade da estratégia. Os resultados mostraram que a eficácia do instrumento, para promover a desejada integração, depende da atuação decidida do professor. Indicaram também que as concepções dos estudantes sobre a ciência, o cientista e o modo como se dá a construção do conhecimento, ensinadas muitas vezes de forma implícita em aula, são persistentes e capazes de interferir na aprendizagem de teorias físicas. / In this paper, we presents a research carried out over three years in Physics introductory courses at Federal University of Rio Grande. The aim of the present study was to minimize the observed dichotomy between theory and lab. The teaching strategy in General Physics disciplines for Engineering has made use of Gowin's Vee, a heuristic device able to explain the process of scientific knowledge production. The construction of Vee diagrams was used to assist understanding of texts in theory classes and as an alternative to traditional reports in the experimental classes. The teacher also made use of it to organize the education, especially for laboratory classes. We based our work on the theory of Ausubel and Novak's meaningful learning and on Gowin and Moreira's theories of teaching and we also grounded it on some key ideas of contemporary epistemology and philosophy of science. We want to promote theory-experiment integration, seeking to contribute to a more effective comprehension of physical concepts and epistemological conceptions expressed in Physics classes. In research, we opted for an interpretative methodology, but we also made use of several quantitative data, looking for evidence of strategy's validity. The results showed that the effectiveness of the instrument performance to promote the desired integration depends on the teacher's decisive role. They also indicated that the students conceptions about science, the scientist and how the knowledge construction is made, that are taught many times implicitly in class, are persistent and can interfere in the physical theories learning.

Cette thèse présente les résultats de travaux de recherche d'une part concernant les réactions en phase gazeuse de petites molécules à des températures extrêmes et d'autre part portant sur la photophysique de nanoparticules de carbone. Les résultats obtenus, au moyen d'une combinaison de méthodes sophistiquées, sont d'intérêt pour la combustion et les milieux astrophysiques. Les coefficients de vitesse des réactions à hautes températures (300-1116K) entre le radical cyanure CN avec deux hydrocarbures (C₂H₄ et C₂H₆) ont été mesurés à l'aide d'un nouvel prototype d'étude de réaction à haute température en phase gazeuse: le réacteur à haute température couplé à la technique PLP-LIF (Pulsed Laser Photolysis-Laser Induced Fluorescence). Ces réactions se sont montrées rapides et révélant une barrière d'énergie. Le préalable à l'étude de la cinétique de ces réactions est la détermination de la température rotationnelle de l'écoulement par spectroscopie du radical CN et l'étude de sa relaxation vibrationnelle par des calculs semi-empiriques. Comme deuxième expérience, on s'est intéressé à la réaction d'attachement électronique à basse température (39-170K) sur la molécule POCl₃ au moyen du dispositif CRESU (Cinétique de réaction en Ecoulement Supersonique Uniforme). Le coefficient d'attachement électronique de cette réaction a été déterminé montrant une faible dépendance de la température du gaz. On a aussi montré l'inversion des voies de sortie, dissociative et non dissociative, aux alentours de la température T=170K mettant en jeux deux produits ioniques majoritaires. La dernière partie de la thèse expose notre perspective de recherche pour étudier la photophysique de nanoparticules de carbones produites par combustion. On a pu mettre en œuvre un système de production de nanoparticules de suie à l'aide d'un brûleur. Cette expérience consiste à sonder l'interaction de celles-ci avec des rayons X mous (1eV-1keV) par détection de photoélectrons et spectrométrie de masse à temps de vol.

La recherche sur les sources d'électrons modulées en temps connaît actuellement un vif intérêt, notamment dans le domaine des sciences fondamentales ou pour certaines applications exigeantes. C'est dans ce contexte que ce travail exploratoire sur l'émission de champ (EC) photo-assistée de nanofils de silicium s'inscrit. Nous explorons dans un premier temps les caractéristiques émissives de ces nanofils semi-conducteurs présentant un régime de saturation très prononcé, très sensible à la température et à la lumière, et encore jamais observé pour de telles structures à température ambiante. Le rôle important joué par la surface dans la saturation est prouvé par des traitements in-situ ayant des conséquences radicales sur les caractéristiques courant-tension de l'EC. Grâce à des cycles de passivation à l'hydrogène nous avons pu montrer le rôle des liaisons pendantes à l'interface matériau/oxyde dans la saturation et basculer de façon réversible entre un comportement quasi-métallique et semiconducteur. Nous étudions ensuite la réponse de ces émetteurs à une excitation optique modulée en temps. Leur réponse est attribuée à la photoconduction due à l'absorption directe : les effets thermiques peuvent être exclus à ces puissances laser. Nous avons alors mis en évidence la présence de deux constantes de temps associées à l'éclairement et la relaxation de l'échantillon. Le rôle des états pièges en surface prend là encore une part importante dans le temps de réponse de l'échantillon en limitant celui-ci à quelques dizaines de microsecondes seulement. Enfin nous avons mis en évidence un effet complètement nouveau en EC sous éclairage laser : une double résistance différentielle négative. Dans les dispositifs à semiconducteurs, cet effet est généralement associé à des oscillations de courant à haute fréquence et ouvre la perspective vers des sources EC compactes et auto-oscillantes à très hautes fréquences

Modern physics is based on Newton’s laws of motion, which describe interaction via forces. In this paper, we argue that interaction needs to be described in terms of processes. By introducing the momentum work and the associated momentum energy in mechanics, we present a coherent formulation of the process equations for mechanics and thermodynamics. This naturally leads to a simple derivation of the Lorentz-transformed mass, according to which any object changes its mass in real terms when its velocity is changed. Momentum work requires a revision of Newton’s laws of motion. For the first time in the history of physics, the elastic collision between objects, such as particles, can be described as a temporal process, not as interaction via force = counter-force. The mechanism of energy conversion during the elastic collision and other mechanical processes, such as free fall, becomes clear and demonstrates the validity of the principle of energy conservation on microscale at any point in time. The results suggest that physics can be rebuilt on a more coherent footing of dynamic processes up to quantum-process thermodynamics.

La gamme térahertz est une région du spectre électromagnétique située à l'interface entre les techniques optiques et électroniques de génération et de détection d'un rayonnement. Elle est qualifiée de "fossé" technologique THz en raison du manque de dispositifs alors que les applications potentielles concernant cette gamme sont vastes. Cette thèse comporte trois axes de recherches articulés autour d'une source THz prometteuse : les lasers à cascade quantique (LCQ). Ces hétérostructures de semiconducteurs sont des lasers unipolaires dont l'émission repose sur la relaxation d'électrons entre des états con nés de la bande de conduction (transitions intersousbandes). Tout d'abord, un système de spectroscopie THz dans le domaine temporel, adapté à l'étude du spectre du gain des LCQ THz, a été développé et optimisé. Des sources d'impulsions THz (antennes photoconductrices) ont été réalisées pour ce système permettant d'accéder à une large bande spectrale. Puis, ce système a été employé pour accéder au spectre du gain de LCQ THz, un paramètre clé, et en particulier appliqué à l'étude de LCQ hétérogènes (i.e. comprenant plus d'une région active permettant une émission large bande). Ces études ont permis de déterminer les facteurs limitant et d'améliorer leurs dessins, conduisant à un gain large et une émission laser à deux fréquences simultanément. En n, les propriétés non-linéaires résonantes de LCQ THz ont été étudiées. Une exaltation de la susceptibilité nonlin éaire a été démontrée en accordant un faisceau proche-IR avec des transitions interbandes du LCQ. En combinant cela à la grande puissance THz intracavité des LCQ, la conversion de l'émission THz du LCQ sur une porteuse optique proche-IR est montrée avec des e cacités élevées (0.12 %).

Les ondes élastiques qui se propagent dans les plaques minces constituent un outil performant pour l'étude fondamentale des ondes en milieux complexes. Elles permettent d'élaborer des dispositifs expérimentaux de taille macroscopique, large bande et non invasifs lorsque la génération et la détection des ultrasons sont effectuées par laser. L'outil expérimental développé dans le cadre de cette thèse permet d'une part l'accès direct à la dynamique temporelle du champ de vibration normale des ondes de Lamb et d'autre part de dresser les cartographies spatiales d'amplitude et de phase des modes propres par traitement numérique. Les milieux complexes étudiés sont de deux types : les milieux homogènes chaotiques ouverts et les milieux hétérogènes fortement diffusants. Pour les premiers, on s'intéresse aux effets de l'ouverture du système fermé vers l'extérieur sur les caractéristiques spectrales et spatiales des modes. Pour ce faire, une série d'expériences est réalisée à la surface d'un wafer de silicium de forme chaotique avec un taux de pertes locales variable. Une seconde étude a trait au problème de la diffusion des ondes de Lamb par un trou non traversant : le trou " borgne ". Ses caractéristiques de résonateur basse fréquence permettent de disposer d'un grand nombre de diffuseurs efficaces dans un volume réduit. Dans de tels milieux désordonnés, les interférences entre les ondes multiplement diffusées peuvent bloquer la propagation des ondes : c'est le phénomène de "localisation d'Anderson" qui fait l'objet de la dernière partie de ce travail. On y décrit l'élaboration puis l'analyse d'un milieu localisant constitué d'une plaque de silicium contenant une collection aléatoire de trous borgnes.

(NTC) multi-feuillets (MWNTs) synthétisés par CCVD (Catalytic Chemical Vapour Deposition) d'aérosol en tapis de nanotubes continus et verticalement alignés, et d'un matrice polymère époxy. En second lieu, sur la caractérisation de la structure et de la surface de ce matériau. En dernier lieu, sur l'étude de ses propriétés de transport électrique. La conduction électrique à température ambiante est mesurée. D'une part, ceci est fait localement par CS-AFM (Current-Sensing AFM) afin de caractériser les NTCs à l'échelle individuelle. D'autre part à l'échelle macroscopique, pour caractériser les propriétés du matériau à une structure de dimensions exploitables. Cette étude montre un matériau avec une résistivité faible et anisotrope. Des fluctuations importantes (environ facteur 10) de la résistance macroscopique sont observées d'une mesure sur l'autre. La nature de ces fluctuations est discutée. La conduction électrique à basse température (entre 4 et 50◦K) montre la persistance à l'échelle macroscopique d'effets mésoscopiques tels qu'observés sur des NTCs individuels. Notamment une loi d'échelle de la conductance en fonction de la température et de la tension (" anomalie à faible tension ") apparaît, ainsi qu'une loi de localisation faible de la conductance. De plus, la mesure de la distribution de la conductance sur la surface par le CS-AFM a permis de démontrer l'origine de cette persistance par un modèle simple et réaliste.

Cette thèse s'articule autour de développements méthodologiques sur l'évaluation théorique des énergies quantiques et relativistes d'état électroniquement excité d'atome ou de molécule. La méthode basée sur la fonction d'onde "Coupled Cluster" (CC) est à l'heure actuelle, une des méthodes les plus précise pour calculer ces états pour les systèmes à N-corps. L'implémentation présentée est basée sur un Hamiltonien relativiste à N-corps: Dirac-Coulomb à 4 composantes et une fonction d'onde "Coupled Cluster" au rang d'excitation arbitraire. Les états excités sont évalués via la théorie de la réponse linéaire, en diagonalisant la matrice Jacobienne Coupled Cluster. L'accent des travaux se porte sur l'évaluation de ses éléments en seconde quantification via un nouvel algorithme basé sur les commutateurs, et sur son adaptation au formalisme relativiste de Dirac à 4 composantes. Enfin, des applications du code à des molécules diatomiques non triviales seront présentées.

The heterogeneous structure of fractured media can lead to complex spatiotemporal fluid invasion dynamics. It thus brings forward challenging fundamental questions in the context of out-of-equilibrium dynamical systems, but also relevant to many processes of interest. The goal of the Thesis is to study the spatio-temporal dynamics of the oil-air interface between displaced air and invading oil, in imbibition through a model open fracture. The research combines exhaustive experimental work with accurate data analysis based on methods of nonlinear statistical physics. The mean postion of the interface h(t) is studied in capillary rise experiments, giving rise to a new analytical solution for h(t). The fluctuations of the interface in forced-flow experiments are analysed in the context of kinetic roughening, characterizing a super-rough scaling scenario. Finally, the burst-like dynamics is studied by analysing the local and global velocities of the front, which are widely distributed and display complex spatio-temporal correlations. We define local and global avalanches whose sizes and durations are also widely distributed, with cutoffs that diverge with the capillary number. Intermittentcy of the global signal is quantified. The ensemble of results presented in this Thesis supports a very general picture of the nonequilibrium dynamics of slowly-driven fronts in open fractures: the lateral propagation of interfacial fluctuations is controlled by local mass conservation, through the lateral correlation length; and the advancement of the interface in the direction of propagation is controlled by the characteristic extent of the disorder d and by the mean front velocity.

Thesis (Ph.D.); Submitted to Univ. of California, Davis, CA (US); 17 Sep 2004. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "UCRL-TH-207378" Gibson, D J. 09/17/2004. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.