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1 STI Génie Mécanique
PHYSIQUE APPLIQUEE
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T.P. 1 : Intensité. Différence de potentiel.
Lois relatives aux réseaux : loi des mailles, des nœuds. Loi d’Ohm.
I. Objectifs



Régler un multimètre et mesurer (algébriquement) des tensions et des intensités.
Réaliser un montage à partir de schémas simples. Connaître la loi des nœuds et la loi des
mailles.
Vérifier que, pour un résistor, la relation qui lie U à I est linéaire.
II. Montage :
V
I
C
A
A
1k 



I2
I1
A
A
D
5V
470 
uDM
k
M
III. Travail à effectuer
1. Mesurer les intensités I , I1 , I2 , et les tensions UAB , UBC , UCD , UDM dans le montage
et établir des relations simples entre elles.
La tension aux bornes de l’ampèremètre est-elle toujours négligeable ?
2. En faisant varier la tension d’alimentation entre -5 et +5 V, relever quelques couples
(I1 , UDM) et tracer la caractéristique courant-tension du résistor.
3. En déduire la relation qui lie UDM à I1 .
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T.P. 2 : Etude de la caractéristique de quelques dipôles passifs non linéaires
I.



II.
Objectifs
Mesurer avec précision, en tenant compte des signes, l’intensité et la tension relatives à un
dipôle inconnu.
Etre conscient qu’un dipôle est soumis à des limites à ne pas dépasser.
Tracer et interpréter des caractéristiques courant-tension.
Montage
R
IF
P
-10 UPN +10 V
A
UAK
N
III.
Dipôle à étudier
K
Travail à effectuer.
1. Calculer la valeur de R pour que l’intensité du courant qui parcourt le dipôle ne dépasse
pas 50 mA.
2. Après avoir tracé le schéma du circuit comprenant un ampèremètre et un voltmètre,
relever des couples (IF, UAK) relatifs aux deux diodes suivantes et tracer leur
caractéristique courant-tension.
3. Comment ces deux diodes fonctionnent-elles ?
A

K
Diode de redressement :
IF
A

Diode Zener :
K
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T.P. 3 : Potentiomètre et rhéostat
Objectifs : comprendre le mode de fonctionnement et les conditions d’utilisation du
potentiomètre et du rhéostat.
A. Rhéostat.
C
I
A
1. Rôle : on utilise un rhéostat pour faire varier le
courant qui traverse un dipôle quelconque.
2. Schéma du montage :
B
Rh
Rc
U
Rh = 0 à 330 (entre A et C); Rc = 270 
U=8V
3. Conditions d’utilisation : connaître la tension appliquée au circuit et les courants Imax et Imin dans
le circuit. Calculer Imax et Imin.
4. Tableau de mesures
Tracer le schéma, réaliser le montage et relever les valeurs de I en fonction de Rh (mesuré à
l’ohmmètre entre A et C hors tension) ; calculer, pour chaque couple (Rh, I ) la puissance absorbée
Ph.
5. Tracer sur papier millimétré I = f(Rh). Comment varie I en fonction de Rh ?
B. Potentiomètre.
1. Rôle.
On utilise un potentiomètre pour faire varier la tension entre deux points d’un circuit à partir d’une
alimentation stable.
P
2. Schéma du montage
Tension d’alimentation : U = 8 V
Rp = 0 à 2,2 k (entre C et A)

R1

B
R1 = 270 
R2 = 470 
U
C
Rp
A
Uc
3. Mesures.
Réaliser le montage et relever l’ensemble des valeurs de Uc
quand Rp varie entre 0 et 2,2 k .
R2
M
4. Vérifier les valeurs mesurées en calculant les valeurs théoriques de UAM et de UBM dans le
montage.
V
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T.P. 4 : Dipôle actif linéaire
1. Objectifs :

Réaliser un dispositif expérimental d’étude de dipôles actifs en tenant compte, suivant les cas,
des limitations en tension, en intensité, en puissance.

Appliquer la méthode d’étude : caractéristique, équation, modèle.
2. Etude d’un dipôle actif quelconque D
A
R1
P I
UAB = 10 V
R1 = 470 







U
R2 = 270 





alimentation
R
B
U
N
Dipôle D de bornes P, N.
dipôle D
a) Mesurer la tension en circuit ouvert U0 et en déduire a priori la puissance que pourrait fournir le
dipôle D à un résistor R = 10 .
b) Tracer le schéma du circuit de mesure et relever les couples (I,U) quand la résistance Rp du
potentiomètre varie de 0 à 2,2 k.
c) Tracer la courbe représentative de U = f (I) et en déterminer l’équation.
d) En déduire un modèle équivalent au dipôle actif D (le tracer et indiquer la valeur des
paramètres).
e) Vérifier par le calcul la valeur de la tension en circuit ouvert U0 à partir des éléments du
montage.
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f) On associe au dipôle actif D une diode de redressement (l'anode A branchée à P, la cathode K
branchée à N).


Déterminer graphiquement le point de fonctionnement M et en déduire les valeurs des
coordonnées UM et IM.
Vérifier expérimentalement ces valeurs de UM et IM.
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T.P. 5 : Régulateur intégré de tension (R.I.T.).
Objectifs :
 Relever des mesures sur un dipôle actif après avoir tracé le schéma avec les appareils.
 Tracer et exploiter la caractéristique en proposant un modèle, tenant compte du domaine de
validité.
 Déterminer un rendement.
1. Caractéristique statique du RIT.
Ie
Is
1
3
2
Ue = 10 V
IM = 0
Us
Rh = 0 à 330 
Compléter le schéma afin de relever la caractéristique Us = f (Is).
Réaliser le montage et relever une dizaine de couples de mesures pour des valeurs de Is inférieures à
0,7 A.
Tracer la courbe Us = f (Is).
Quelles informations pouvez-vous tirer de la caractéristique ?
Proposer un modèle électrique équivalent en précisant son domaine de validité.
2. Rendement du RIT.
Ie
Is
1
3
2
Ue
IM = 0
Us
Rh 
a) Régulation amont : Rh est fixe et réglé de façon que Is = 0,1 A quand Us = 5 V ; Ue varie.
Relever Us , Is et Ue lorsque Ue varie. (on vérifiera que Is  Ie)
Calculer Pu = UsIs (puissance utile) et Pa = UeIe (puissance fournie par l'alimentation continue) ainsi
que le rendement  = Pu/Pa
Tracer la courbe de transfert Us = f(Ie) et celle du rendement  = f(Ue)
Pour quelle valeur de Ue le rendement est-il le plus élevé ?
Pour quelles valeurs de Ue la tension de sortie est-elle régulée (stabilisée) ?
b) Régulation aval : Ue est fixe ; Rh varie (voir partie 1.).
Calculer le rendement  = Pu/Pa
Que devient l'énergie perdue ?
c) Conclusion : trouver les conditions de fonctionnement optimal du RIT.
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T.P. 6 : CONDENSATEURS : charge à courant constant
Objectifs :



Déterminer expérimentalement la capacité d'un condensateur
Vérifier les lois d'association des condensateurs
Mettre en évidence l'énergie stockée par un condensateur.
Montage
I0
+15V
S
A
+
V
uc
C
K
0
attention : les condensateurs électrochimiques sont polarisés.
Procédure d'expérimentation :
Interrupteur fermé, régler la source de courant.
 Dès qu'on ouvre l'interrupteur K (instant t = 0), le courant permet la charge du condensateur.
 On relève uc en fonction du temps de charge t (chronomètre à la seconde près), par exemple
toutes les 3 secondes.
 Dès que la tension atteint 8 V par exemple, on peut recommencer après avoir déchargé
"brutalement" le condensateur grâce à l'interrupteur.
1. Influence du courant de charge I0
a) C = 1000 µF (valeur nominale à  20 %); I0 = 1 mA. Tracer les courbes uc = f(t) et Q = f(uc). En
déduire la relation entre lie Q à uc . Déterminer la capacité C du condensateur (coefficient
directeur de la droite).
b) Recommencer avec I0 = 2 mA . Conclure.
2. Influence de la capacité C
I0 = 1 mA ; C = 2200µF. Tracer les courbes uc = f(t) et Q = f(uc).
Conclure quant à la vitesse avec laquelle se charge le condensateur.
Remarque : pour chacun des relevés, on présentera les valeurs sous forme d'un tableau comme par
exemple :
t (s)
uC (V)
Q = I0.t (mC)
0
3
6
9
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3. Association de condensateurs en parallèle. C1 = 1000 µF ; C2 = 2200 µF.
a) Avec I0 = 1 mA, tracer sur un même graphique Q = f(uc) pour chaque condensateur puis pour
l'association en parallèle des 2 condensateurs.
b) En déduire la capacité équivalente Cp de l'association ; la comparer à C1 et C2.
c) Pour uc = 4 V vérifier la relation entre les charges Q1 Q2 et Q de l'association.
4. Association de condensateurs en série. C1 = 1000 µF ; C2 = 2200 µF.
a) Avec I0 = 1 mA, tracer sur un même graphique Q = f(uc) pour chaque condensateur puis pour
l'association en série des 2 condensateurs.
b) En déduire la capacité équivalente Cs de l'association ; la comparer à C1 et C2.
5. Puissance électrique absorbée
Pour I0 = 1 mA et C1 = 1000 µF, tracer la courbe de la puissance p absorbée par le condensateur en
fonction du temps de charge t.
Quelle est la puissance fournie par l'alimentation lorsque le condensateur est chargé à son
maximum? (on néglige la puissance absorbée par les appareils de mesure).
6. Energie emmagasinée dans le condensateur.
Calculer, à partir d'une des relations encadrées, l'énergie stockée dans le condensateur C1 lorsque la
tension à ses bornes vaut 5 V. (on prendra la valeur expérimentale de C1).
Remarque : l'énergie absorbée à un instant t1 est égale à l'aire de la surface limitée par la
courbe p(t) et l'axe des temps entre 0 et t1. On a donc :
W
1
1
P.t1  U . I .t1
2
2
d'où les relations spécifiques aux condensateurs :
W 
1
1
1 Q²
Q.U  C .U ² 
2
2
2 C
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T.P. 7 : Grandeurs périodiques
Objectifs :


Définir les caractéristiques des grandeurs périodiques
Procéder au réglage ou au mesurage de ces caractéristiques
1. Réglages
1.1. Oscilloscope : il permet de visualiser une ou deux tensions en fonction de la variable temps (ou instant t) et, si le
signal est périodique, il permet par un "balayage" de synchroniser la trace pour qu'elle reste fixe sur l'écran.
a)
pour la base de temps : l'étalonner (bouton rouge calé sur "etal") et régler le commutateur sur 2 ms/div.
b) Pour les entrées voie 1 et voie 2 (double trace : mode DUAL)
 Les étalonner (boutons rouges calés sur "etal")
 Régler les niveaux zéro de tension au milieu de l'écran grâce au bouton de positionnement vertical, un signal
nul étant appliqué sur chacune des entrées en position GND
 Régler le commutateur d'amplification des entrées sur 2 V/div et les entrées en mode DC.
1.2. Générateur BF
a) Régler la fréquence de u à environ 100 Hz
b) Connecter la sortie du générateur (signaux rectangulaires) à l'entrée 1 de l'oscilloscope et régler le "niveau" à 8 V .
c) Ajuster la fréquence pour obtenir une période de 10 ms. On obtient donc la courbe :
u
8V
0
t (ms)
10
20
-8V
période T
2. Valeur instantanée : u ou i en fonction de l’instant t
La valeur instantanée correspond aux valeurs d’un tableau. Exemple :
t (ms)
0 2 4 6 8 10
u(V)
0
8
8
-8
-8
0
Toutes les lois du courant continu s'appliquent aux valeurs instantanée
Grandeur périodique.
Une grandeur u est périodique si u(t +T) = u(t) ;
T est la période de u : la période est la durée constante qui sépare deux instants consécutifs où la grandeur se reproduit
identiquement à elle-même
1
Fréquence : nombre de périodes par seconde : f (en Hz) = 
T (en s)
Amplitude : c'est la valeur maximale notée Û

déterminer, pour u, l'amplitude, la période et la fréquence.
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3. Valeur moyenne.
Entre les instants 0 et T, la valeur moyenne d'une intensité périodique i, notée <i>, est la valeur
d’un courant continu I qui, entre ces mêmes instants, transporterait la même quantité d’électricité
Q = I.T
Elle est représentée par l’aire A, entre 0 et T , de la surface comprise entre la courbe représentative
de i(t) et l’axe des t. Si la courbe a des parties négatives, l'aire est comptée algébriquement.
i
50 mA
La valeur moyenne de i est le rapport de A à T:
20 mA
A
<i> = 
T
A
t
0

T
Calculer la valeur moyenne de i dans cet exemple, pour T = 30 ms.
Mesurage de la valeur moyenne de u ou de i : à l’aide d’un multimètre (en position continu), d’un appareil
magnétoélectrique, ou du décalage à l'oscilloscope entre la même courbe en mode AC et en mode DC.
 Après avoir réglé une tension u1 rectangulaire, telle que son maximum vaut 5 V et son minimum vaut 0
(à l'aide du bouton de décalage du générateur ou DC offset), calculer et mesurer < u1>. Comparer ces
deux valeurs.

Même question avec une tension u2 triangulaire variant entre 0 et 8 V.
N. B. on appelle courant alternatif un courant tel que sa valeur moyenne est nulle.
4. Valeur efficace. La valeur efficace d’un courant est la valeur de l’intensité I d’un courant continu
qui dissiperait par effet Joule et pendant le même temps la même quantité de chaleur dans le même
résistor ; on l’obtient en effectuant la moyenne du carré de i sur une période :
I² = <i²>
donc I = <i²>
Mesurage de la valeur efficace :
On utilise des appareils dits « efficace vrai » ou RMS qui seuls effectuent la moyenne
quadratique.
A défaut, les autres appareils en position AC ne mesurent la valeur efficace que des seules
grandeurs sinusoïdales
u3 (V)

On considère la tension u3 représentée ci-contre.
6
Calculer la période, la fréquence, la valeur moyenne
de u3 et sa valeur efficace.
0
1
2
3
4
t
(ms)
-2
Régler le générateur, visualiser la courbe et vérifier expérimentalement la valeur moyenne et la
valeur efficace de u3.
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T.P. 8 : Grandeurs sinusoïdales
Objectifs :


Définir les caractéristiques des grandeurs sinusoïdales
Procéder au réglage ou au mesurage de ces caractéristiques
1. Fonction sinus :
Vérifier, à l'aide de la calculatrice, les points de la courbe représentative de la fonction sinus :
x  sin(x)
notamment pour x successivement égal à :
/9, 0 , /9,/6,/4,/3, /2/4 ,  , 3/2 , 2, 3
Comparer les valeurs de sin(/3) et de sin(/3 + ).
Comparer les valeurs de sin(/6) et de sin(-/6).
Quelles sont les valeurs maximale et minimale de sin(x) ?
ne pas oublier de se situer en mode angulaire "RAD"
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2. Tension sinusoïdale :
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t  v = 2 . sin (2 . 125 t) ( en volts)
Tracer la représentation graphique de cette fonction, pour des valeurs de t (en secondes) variant
entre - 2.10-3 et 12.10-3
Quelle est la valeur maximale de v ? La courbe passe-t-elle par l'origine ?
Quelle est la période T de la fonction ? En déduire la fréquence f.
Régler le générateur BF pour visualiser cette tension v à l'oscilloscope. (préciser les calibres)
Mesurer la valeur moyenne et la valeur efficace de v (expliquer la méthode).
Vˆ
Comparer la valeur efficace mesurée à
2
3. Expression générale d'une grandeur sinusoïdale : (u ou i)
u = Û sin ( t + )
u ou u (t) est la valeur instantanée en volts
Û est l'amplitude de u (valeur maximale de u)
t est la variable temps en secondes (ou instant t)
( t + ) est la phase de u (en radians) et dépend de t.
 est la phase à l'origine des temps (valeur de la phase à l'instant t = 0).
Cet instant origine est arbitraire et permet donc de placer l'axe des ordonnées comme on le souhaite.
 est la pulsation de u en radians par seconde (rad.s-1)
 est proportionnel à la fréquence :
 = 2f car f est le nombre de périodes (soit 2 rad) par seconde d'où f 
on a également :  


2
2
puisque T (en s) est l'inverse de f (en Hz).
T
Exemple : après en avoir déterminé l'amplitude, la pulsation, la fréquence et la période,
tracer la représentation graphique de la fonction : t  u = 5 . sin ( 200 t + /4 ) ( en volts)
pour des valeurs de t entre -2,5 et 10 ms.
Régler le générateur et visualiser u à l'oscilloscope. Comparer les deux courbes.
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4. Déphasage entre deux grandeurs sinusoïdales de même fréquence
Considérons les deux tensions :
et
u1 = Û1 . sin ( t +  )
u2 = Û2 . sin ( t +  )
On appelle déphasage de u2 par rapport à u1 la différence :
 = phase de u1 - phase de u2 = (t + ) - (t + )
 = 

On remarquera que, par un changement de l'origine des phases, on peut annuler 1 par exemple.
u1 = Û1 . sin ( t )
u2 = Û2 . sin ( t -  )
On obtient alors
et
 est donc le décalage angulaire entre les deux tensions et correspond au "décalage horaire" entre
les deux instants t1 et t2 où les courbes s'annulent (en croissant par exemple).
Rapporté à la période, on obtient la relation :
 t 2  t1

2
T
voie 1 : u1
t1 étant nul.
Après avoir réglé le générateur pour qu'il délivre
une tension u1 = 4.sin 800t , visualiser et relever
les tensions u1 et u2, et déterminer le déphasage de
u2 par rapport à u1 avec le maximum de précision.
L
u1
L = 0,1 H

on a donc  (rad) = 2
t 2  t1
t t
ou  (degrés) = 360 2 1
T
T
voie 2 : u2
R
R = 100 
u2=Ri
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T.P. 9 : Dipôles élémentaires en régime sinusoïdal
Objectifs :


Observer la variation de l'impédance et du déphasage quand la tension ou la fréquence varie.
Comparer les caractéristiques des trois sortes de dipôles élémentaires
1. Schéma du circuit
i
GBF
Voie 1: u
ug
u
D
V
r
ur = - ri
voie 2 inversée : ri
Le dipôle à étudier D sera successivement un résistor (R = 1 k), une bobine (L = 0,1 H), un
condensateur (C = 0,47µF) ; la résistance r sera égale à 100 .
Remarque sur les notations : i, u sont des valeurs instantanées
I, U sont des valeurs efficaces.
2. Relevé des mesures
a) A fréquence constante f = 2 kHz, Ug varie (régime sinusoïdal).
Pour chaque dipôle : faire varier U de 3 V à son maximum. Déterminer les valeurs de I
correspondantes ainsi que le déphasage entre i et u (attention au signe de ).
b) A fréquence variable, Ug est réglé à son maximum.
Relever U, I = Ur / r et  pour des fréquences de 1, 2 et 4 kHz
3. Exploitation des mesures

a) lorsque U varie.
U
Calculer Z 
à la fréquence de 2 kHz pour chaque dipôle. Conclure.
I
b) Lorsque f varie.
Tracer la courbe de Z 
U
en fonction de f pour le résistor et pour la bobine.
I
I
en fonction de pour le condensateur.
U
Calculer les coefficients directeurs. En déduire une relation entre Z et pour la bobine, entre Y et 
pour le condensateur.
Tracer la courbe Y 
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T.P. 10 : Associations de dipôles en régime sinusoïdal. Résonance.
Association en série
On associe en série un condensateur (C = 1 µF) et un résistor (R = 1 k) qu'on branche aux bornes
d'un générateur B.F. délivrant une tension sinusoïdale de fréquence 100 Hz.
1) Tracer le diagramme de Fresnel et calculer l'impédance du dipôle R-C.
 Vérifier expérimentalement les résultats calculés en mesurant Z et 
II- Association en parallèle
On associe en parallèle une bobine (L = 0,1 H) et un résistor (R = 1 k) qu'on branche aux bornes
d'un générateur B.F. délivrant une tension sinusoïdale de fréquence 1 kHz.
1) Tracer le diagramme de Fresnel et calculer l'impédance du dipôle R-L.
 Vérifier expérimentalement les résultats calculés en mesurant Z et 
III- Résonance série
1) montage expérimental
voie 1
Maintenir constante la
valeur efficace de u : U = 5 V
bobine : L = 0,1H ; r = 330 
C = 1 µF
R = 100 
L
GBF
u
voie 2
C
R
Ri
i
2) étude du circuit à fréquence variable
On fera varier la fréquence de 100 jusqu'à 1000 Hz.
Relever I et UC en fonction de la fréquence f. Tracer les courbes de I en fonction de f, et de UC en
fonction de f.
a) étude de la courbe I en fonction de f.
Déterminer les coordonnées du maximum et les comparer aux valeurs théoriques :
1
U
f0 
et I max 
(f0 = fréquence propre du circuit ; Rtot = 330 + 100 )
Rtot
2 LC
b) étude de la courbe UC en fonction de f.
Déterminer les coordonnées du maximum. Comparer avec la valeur théorique U C max 
Calculer le rapport
U
Rtot C 0
L 0
U C max
et le comparer avec la valeur du coefficient de qualité. Q0 
Rtot
U