Mesure de la période à l`oscilloscope - Fréquence

Document du professeur 1/6
Niveau 3
ème
Physique - Chimie
Mesure de la période à l’oscilloscopeFréquence
Programme
B. Energie électrique et circuits électriques en « alternatif »
B1 - De la centrale électrique à l’utilisateur
Connaissances
Capacités
Exemples d'activités
L’OSCILLOSCOPE ET/OU L’INTERFACE D’ACQUISITION, INSTRUMENT DE MESURES DE TENSION ET DE
DURÉE
Que signifient les courbes affichées par un oscilloscope ou sur l’écran de l’ordinateur ?
La fréquence d'une tension
périodique et son unité, le hertz (Hz),
dans le Système International (SI).
Reconnaître à l'oscilloscope, ou
Utilisation d’un oscilloscope sans
grâce à une interface d’acquisition, balayage, puis avec balayage.
une tension alternative périodique. Réalisation d’une acquisition à l’aide
de l'ordinateur.
[B2i]
Mesurer sur un oscilloscope la
valeur maximale et la période.
Utilisation d’un fréquencemètre.
Relation entre la période et la
fréquence.
La tension du secteur est alternative.
Elle est sinusoïdale.
La fréquence de la tension du secteur
en France est 50 Hz.
Recherche documentaire: allure et
caractéristiques de la tension du
secteur.
Pré requis de l’élève
o
o
o
Mots-clé
o
o
o
o
Utilisation et réglage d’un oscilloscope avec ou sans balayage ;
Détermination d’un « motif élémentaire » d’une tension alternative sinusoïdale ;
La notion de fréquence et période d’un phénomène périodique.
Tension alternative sinusoïdale,
Période,
Fréquence,
Fréquencemètre.
Liste de matériel
Poste élève
o Générateur de tension alternative sinusoïdale
o Fréquencemètre
o Oscilloscope
o Fils de connexion rouge
o Fils de connexion noir
o GTBF
Référence
01981
22049
04519
60101
60100
04730
© PIERRON 2008
Mesure de la période à l’oscilloscope (page 1)
Document du professeur 2/6
Remarques, astuces
o
o
o
o
o
o
Toute manipulation directe sur la tension du secteur est strictement interdite ; pour toute visualisation de la période
et de la fréquence de cette tension, il convient d’utiliser des transformateurs très basse tension de sécurité (TBTS) ;
on dispose alors d’une image de la tension du secteur.
Du point de vue de la sécurité électrique, « Très Basse Tension » correspond en « alternatif » à des tensions
inférieures ou égales à 50 V. Au collège, il est recommandé de rester dans des domaines de tensions correspondant
à la très basse tension de sécurité (TBTS), c’est-à-dire à des tensions inférieures à 25 V en alternatif.
Pour l’activité 1, le professeur, s’il juge disposer de suffisamment de temps, pourra faire étaler un « motif
élémentaire » au maximum sur la largeur de l’écran afin d’améliorer la mesure de la période T.
En fonction du niveau de la classe, le professeur imposera le calibre du fréquencemètre ou le laissera
choisir par les élèves ... en vérifiant !
En ce qui concerne l’activité 3, on pourra imposer les fréquences aux élèves (de 50 à 500 Hz par
exemple) si le niveau de la classe le justifie.
On précisera aux élèves que le fréquencemètre ne donne des mesures fiables que pour les fréquences des
tensions alternatives sinusoïdales et est limité en gamme de mesures. Lorsque les fréquences deviennent
trop grandes ou lorsqu’elles ne sont pas sinusoïdales on peut calculer leur fréquence en mesurant leur
période à l’oscilloscope et en appliquant la relation f = 1/T
Prolongements
o
Thème de convergence santé « Les fréquences cardiaques»
Le rythme cardiaque (ou fréquence cardiaque) est au sens médical du terme le mécanisme
électrophysiologique à l’origine de la contraction des ventricules.
Dans le sens commun, le rythme (ou fréquence) est le nombre de battements cardiaques (pulsations)
par minutes.
La manière la plus simple d'évaluer le rythme cardiaque est de prendre le pouls. Cela consiste à
appuyer avec les doigts, à travers la peau, une artère contre un os ; la pulpe des doigts permet de sentir
les gonflements de l'artère dus à l'augmentation de la pression artérielle par la contraction du cœur
(systole).
D'autres méthodes, que la perception du pouls, peuvent être utilisées pour le calcul de la fréquence
cardiaque :
• écouter le cœur à l’aide d’un stéthoscope,
• visualiser les battements cardiaques sur un écran d’ordinateur ou enregistrer un
électrocardiogramme sont des moyens simples de surveillance automatisée de la fréquence
cardiaque.
• poser un capteur au bout d'un doigt ou sur l'oreille permet d’analyser en temps réel la variation de
couleur du sang suivant son oxygénation.
• dans certains cas, on peut introduire un fin cathéter dans une artère, relié à un capteur de pression :
la variation cyclique des pressions ainsi mesurée permet de calculer en temps réel le rythme
cardiaque.
Chez l'adulte en bonne santé, au repos, le pouls se situe entre 50 (sportif pratiquant l'endurance) et 80
pulsations par minute. Pendant un effort, la fréquence cardiaque maximale théorique vaut « 220 moins
l'âge » (exemple : 180 pulsations par minute à 40 ans).
Plusieurs conditions peuvent faire accélérer ou ralentir la fréquence cardiaque. Sa mesure est un outil
diagnostique très important pour les médecins ou les sportifs de haut niveau.
© PIERRON 2008
Mesure de la période à l’oscilloscope - Fréquence
(page 2)
Document du professeur 3/6
Compétences qu’il est possible d’évaluer
Expérimentales
Théoriques
© PIERRON 2008
-
Utiliser un oscilloscope avec balayage
Régler un oscilloscope
Mesurer une période à l’oscilloscope
Utiliser un fréquencemètre
Choisir le calibre le mieux adapté
Répartir les rôles dans le groupe
Suivre un protocole
Ordonner la paillasse pour réaliser un travail correct
Ranger le matériel
Tirer une conclusion
Trouver la relation entre la période et la fréquence
Réaliser un calcul mathématique simple
Calculer la fréquence de la tension du secteur
Mesure de la période à l’oscilloscope - Fréquence
(page 3)
Document du professeur 4/6
Nom :
Prénom :
Classe :
Date :
Physique – Chimie
Détermination de la période à l’oscilloscopeFréquence
Objectifs
o Calculer la période d’une tension alternative sinusoïdale avec un oscilloscope ;
o Mesurer la fréquence d’une tension alternative sinusoïdale avec un multimètre en mode
fréquencemètre ;
o Utiliser la relation f = 1 / T.
ACTIVITE 1 : Détermination de la période T d’une tension alternative sinusoïdale avec un
oscilloscope
Un générateur « de collège » délivrant une tension
alternative sinusoïdale est relié à un oscilloscope.
1. Régler la sensibilité verticale de l’oscilloscope
pour obtenir l’oscillogramme le plus haut possible
sans sortir des limites supérieure et
inférieure de l’écran.
2. Régler la durée θ du balayage horizontale pour
observer deux « motifs élémentaires »*.
Noter la durée du balayage : θ = 5 ms/divisions
(d’après l’exemple photographié)
3. Compter sur l’axe horizontal le nombre X de divisions correspondant à la
période d’un « motif élémentaire ».*
X = 4 divisions
4. La valeur de la période T de la tension alternative s’obtient par le produit des grandeurs θ et X.
Calculer la période T de la tension alternative sinusoïdale appliquée. Exprimer le résultat en secondes.
T = 4 × 5 = 20 ms = 0,020 s
5. Bilan de l’activité 1 :
Un oscilloscope permet de mesurer la période T d’une tension alternative sinusoïdale.
*motif élémentaire : plus petite partie de la courbe qui se reproduit identique à elle-même.
© PIERRON 2008
Mesure de la période à l’oscilloscope - Fréquence
(page 4)
Document du professeur 5/6
ACTIVITE 2 : Mesure de la fréquence d’une tension alternative sinusoïdale avec un
fréquencemètre.
La fréquence, notée f, d’un phénomène périodique est le nombre de fois qu’il se reproduit identique à luimême en une seconde.
C’est donc le nombre de périodes en une seconde.
On utilise un multimètre en mode fréquencemètre afin de
mesurer la fréquence d’une tension alternative.
1. Placer le sélecteur du fréquencemètre sur le calibre le
plus élevé.
Noter ce calibre : 20 kHz
2. Brancher un fil sur la borne COM, un autre fil sur la borne
Hz.
3. Brancher le fréquencemètre aux bornes du générateur de
tension alternative sinusoïdale utilisé dans l’activité 1 en
utilisant les mêmes bornes que dans cette activité.
4. Faire une première détermination de la fréquence f et adapter éventuellement le calibre pour obtenir la
valeur la plus précise possible. Noter le calibre choisi et la valeur de la fréquence.
Calibre le mieux adapté : 2kHz
Fréquence : f = 0,050 kHz soit 50 Hz
5. Bilan de l’activité 2 :
Un fréquencemètre permet de mesurer la fréquence f d’une tension alternative sinusoïdale.
ACTIVITE 3 : Relation entre la période et la fréquence
1. Expérience
Vous disposez d’un générateur TBF dont on peut
faire varier la fréquence de la tension délivrée.
Brancher un oscilloscope à ses bornes.
Régler à votre choix la fréquence f de la tension
délivrée par le générateur et mesurer la période T
de cette tension à l’oscilloscope.
© PIERRON 2008
Mesure de la période à l’oscilloscope - Fréquence
(page 5)
Document du professeur 6/6
Noter les valeurs de f et T dans le tableau ci-dessous.
Recommencer trois fois l’opération en faisant varier la fréquence.
2.
Résultats
Expériences
f ( Hz)
T (s)
f.T
n°1
25
0,04
1
n°2
100
0,01
1
n°3
125
0,008
1
n°4
200
0,005
1
Effectuer les calculs f.T sur la dernière ligne du tableau. Que remarquez-vous ?
Le produit f.T est toujours égal à 1.
3. Conclusion :
Le produit f.T est égal à 1 si la fréquence f est exprimée en hertz (Hz) et la période T en
secondes (s).
Cela se traduit par la relation : f = 1/ T
4. Application
Le générateur utilisé dans l’activité 1 délivre une tension alternative sinusoïdale dont la période
correspond à celle dite du « secteur » car elle est fournie par EDF ou d’autres fournisseurs.
Sa période vaut T = 0,02 s.
Est-ce conforme au résultat obtenu dans l’activité 1 ?
Oui, dans l’activité 1, on a bien T = 0,02 s ou encore 20 ms.
Calculer la fréquence f de cette tension.
f = 1/T soit f = 1 ÷ 0,02 = 50 Hz
Est-ce conforme à la mesure faite dans l’activité 2 avec le même générateur ?
Cela est donc conforme au résultat obtenu dans l’activité 2.
Retenons :
La période de la tension sinusoïdale du secteur vaut T = 20 ms et
sa fréquence est donc f = 50 Hz.
© PIERRON 2008
Mesure de la période à l’oscilloscope - Fréquence
(page 6)