3_ELECTRICITE_Oscilloscope
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Partie du programme B.1 – De la centrale à l’utilisateur L’oscilloscope et/ou l’interface d’acquisition, instrument de mesure de tension et de durée Capacité : Utiliser les technologies pour surmonter les obstacles Socle commun Attitude : Le sens de l’observation Pré requis : Identifier une tension alternative et une tension continue. Reconnaître une tension alternative périodique. Déterminer graphiquement sa valeur maximale et sa période. Capacités visées : Programme de 3e Reconnaître à l’oscilloscope, ou grâce à une interface d’acquisition, une tension alternative périodique. Mesurer sur un oscilloscope la valeur maximale et la période. Connaissances visées : La fréquence d’une tension périodique et son unité, le hertz (Hz), dans le Système International (SI) 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 50Hz Durée proposée : 2 semaines Évaluation formative 1 / Correction Première séance (35 min + 20 min) Initiation à l’oscilloscope, réglages préliminaires. Mesures de tensions continues à l’oscilloscope. Les élèves manipulent par binôme, et répondent individuellement à un questionnaire. Ils découvrent l’oscilloscope grâce à des questions qui détaillent le fonctionnement de l’appareil et ses réglages. La correction se déroule en classe entière guidée par le professeur et avec la participation des élèves. Chaque élève s’autoévalue grâce à une grille de critères de réussite. Évaluation formative 2 / Correction Deuxième séance (35 min + 20 min) Initiation au GTBF. Mesures de valeurs maximales et de périodes pour des tensions alternatives périodiques. Lien entre période et fréquence. Les élèves manipulent par binôme, et répondent individuellement à un questionnaire. Ils perfectionnent leur usage de l’oscilloscope et découvrent le GTBF. Les élèves découvrent expérimentalement le lien entre période et fréquence. La correction a lieu en classe entière avec la participation des élèves. Chaque élève s’auto-évalue grâce à une grille de critères de réussite. Évaluation formative / Remédiation Évaluation formative : Troisième séance (55 min) Les élèves, individuellement, doivent montrer qu’ils sont capables d’afficher àl’écran de l’oscilloscope des tensions aux caractéristiques imposées. Remédiation : Animation flash « oscillo » en autonomie pour les élèves qui ne rencontrent pas de difficultés. Reprise des oscilloscopes avec le professeur pour les élèves en difficulté. Évaluation sommative expérimentale : « L’alimentation est-elle déréglée ? » Séance ultérieure (25 min) Les élèves doivent retrouver à l’oscilloscope les caractéristiques des tensions fournies par l’alimentation (6V continu, 12V continu, 6V alternatif, fréquence, 12V alternatif fréquence). Grille auto-évaluation NOM, Prénom, Classe : ……………..…………………………………………… Les tableaux ci-dessous regroupent les 10 critères qu’il faut maîtriser pour savoir utiliser un oscilloscope. Vous cocherez la case quand vous estimez que le critère est acquis. Vous disposez de trois séances pour tous les acquérir. Critères de réussite S1 S2 Partie 1 : Oscilloscope et tension continue. C01 Je suis capable d’effectuer les réglages de l’oscilloscope. C02 Je suis capable de déclencher le balayage du spot. C03 Je suis capable de régler la sensibilité verticale de façon à obtenir la plus grande déviation visible. C04 Je suis capable de mesurer la valeur d’une tension continue positive. C05 Je suis capable de mesurer la valeur d’une tension continue négative. Partie 2 : Oscilloscope, GTBF et tension alternative. C06 Je sais faire apparaître un motif élémentaire sur l’écran. C07 Je suis capable de mesurer la valeur maximale d’une tension alternative fournie par le GTBF. C08 Je suis capable de régler la fréquence du signal émis par le GTBF. C09 Je suis capable de mesurer la période de la tension alternative à l’oscilloscope. C10 Je connais le lien entre la période de la tension observée à l’oscilloscope et la fréquence du signal émis par le GTBF. Partie 3 : Réservée au professeur. Je suis capable de reconnaître à l’oscilloscope une tension alternative périodique Je suis capable de déterminer à l’oscilloscope la valeur maximale et la période d’une tension alternative. S3 S1 - Première séance / Évaluation formative 1 Les élèves répondent à un questionnaire individuel et manipulent par groupe de deux. Grâce à des questions à la difficulté croissante, ils découvrent progressivement l’oscilloscope et les premiers réglages. Ils disposent d’une durée limitée de 35 min. Chaque groupe trouve à sa disposition un oscilloscope préréglé de façon à ce qu’à l’allumage, la trace lumineuse apparaisse au hasard sur l’écran, sans balayage. Ils disposent également d’une pile de 4,5 V et des fils de connexion nécessaires. La correction se déroule en classe entière avec la participation active des élèves. Au fur et à mesure de la lecture du diaporama (l’oscilloscope séance 1) l’élève se corrige et s’auto-évalue à l’aide de sa grille (S1). . Questionnaire : Oscilloscope et tension continue L’oscilloscope est un appareil qui permet d’observer (« scope ») les variations (« oscillo ») d’une tension électrique. Afin de l’utiliser efficacement, il convient de connaître la fonction de chacun des boutons de réglage. Ce questionnaire a pour but de vous aider dans l’apprentissage des réglages. Etape 1 a) La face avant d’un oscilloscope comprend deux parties principales. Nommer ces deux parties. ……………….......................................................................................................... □ Mettre l’oscilloscope en marche. Qu’observez-vous ? ………………………………………………………………………………………………….. Le levier de couplage d’entrée, juste à côté du bouton marche/arrêt, possède trois positions : ~ (en haut) ou position en mode alternatif, - (au milieu) ou position en mode continu, 0 (en bas) ou position réglage. □ Positionner le levier pour réaliser les premiers réglages. b) Quel est le rôle du bouton « INTENS » ? ……………………………………………………………………….…………………… c) Quel est le rôle du bouton « FOC » ? ……………………………………………………………………….…………………… d) Quel est le rôle du bouton « POSITION » jaune ? ……………………………………………………………………….…………………… e) Quel est le rôle du bouton « POSITION » rouge ? ……………………………………………………………………….…………………… □ Régler l’allure du spot de façon à obtenir un point lumineux net et « normalement » intense. □ Positionner le spot au centre de l’écran, à l’intersection des axes des abscisses et des ordonnées. f) Quel est le rôle du bouton « T/DIV » ? ……………….......................................................................................................... ……………….......................................................................................................... ……………….......................................................................................................... □ Actionner le bouton « T/DIV » de façon à ce que le spot ne soit plus visible puis représenter l’oscillogramme obtenu. Etape 2 □ Positionner le levier de couplage en mode continu. □ Relier les bornes jaune et noire de l’oscilloscope aux bornes d’une pile de 4,5 V. □ Laisser les bornes de la pile reliées à celle de l’oscilloscope de façon à obtenir une déviation vers le haut. a) Quel est le rôle du bouton « V/DIV » ? ……………….......................................................................................................... ……………….......................................................................................................... ……………….......................................................................................................... □ Régler ce bouton pour obtenir la plus grande déviation visible sur l’écran avec les trois piles disponibles et compléter les écrans ci-dessous : Pile de 4,5 V Réglage : …………………. b) Pourquoi obtenir la plus grande déviation possible ? ……………….......................................................................................................... ……………….......................................................................................................... c) Déterminer sur l’écran de l’oscilloscope la valeur de la tension fournie par la pile. Pile de 4,5 V Sensibilité : ……………. Déviation : …………….. U = ……………………... □ Inverser les branchements de l’oscilloscope pour la pile de 4,5 V. Qu’observe-t-on ? ……………….................................................................................................................. ........................................................................................................................................ d) Déterminer de nouveau sur l’écran de l’oscilloscope la valeur de la tension aux bornes de la pile. Pile de 4,5 V Sensibilité : ……………. Déviation : …………….. U = ……………………... Conclusion : ………………………………….………………………………….…………………………………. ………………………………….………………………………….…………………………………. .………………………………….………………………………….…………………………………. ………………………………….………………………………….…………………………………. S2 - Deuxième séance / Évaluation formative 2 Pour cette séance encore, les élèves répondent à un questionnaire individuel et manipulent par groupe de deux. Ils disposent d’une durée limitée (35 min) pour recommencer les réglages de l’oscilloscope puis utiliser le Générateur Très Basse Fréquence (GTBF). Comme pour la précédente évaluation, chaque groupe trouve à sa disposition un oscilloscope préréglé de façon à ce qu’à l’allumage, la trace lumineuse apparaisse au hasard sur l’écran, sans balayage.Ils disposent cette fois d’un GTBF et des fils de connexion nécessaires. Pour cette séance aussi, la correction se déroule en classe entière avec la participation active des élèves. Chaque élève se corrige et s’auto évalue à l’aide de sa grille (S2). Questionnaire : Oscilloscope, GTBF et tension alternative Le Générateur Très Basse Fréquence ou GTBF est un appareil qui délivre des tensions alternatives périodes. Il permet à la fois de choisir la forme du signal délivré ainsi que sa valeur maximale ou sa période. Ce questionnaire a pour but de vous guider dans l’apprentissage des réglages du GTBF. Etape 1 Il convient comme avant chaque utilisation de l’oscilloscope de le régler de façon à ce que sans aucun branchement l’oscilloscope indique une tension nulle. □ Effectuer les réglages de l’oscilloscope. Etape 2 □ Positionner le levier de couplage en mode alternatif. □ Brancher les bornes de l’oscilloscope à celles du GTBF. □ Mettre en marche le GTBF. Qu’observe-t-on ? ………………………………………………………………………………………………….. Il est possible que le signal observé soit quasi illisible. L’amplitude est trop faible ou trop grande, la vitesse de balayage est inadaptée. Agir sur les boutons de réglages de l’oscilloscope pour faire disparaître ce problème. Si le signal est instable, il peut être nécessaire d’agir sur le bouton « LEVEL » de l‘oscilloscope de façon à obtenir un signal stable. a) Quel est le rôle du bouton noir en bas du GTBF ? ……………….......................................................................................................... ……………….......................................................................................................... b) Quel est le rôle du bouton rouge du GTBF ? ……………….......................................................................................................... ……………….......................................................................................................... c) Quel est le rôle des deux boutons noir et gris en haut de la face avant du GTBF ? ……………….......................................................................................................... ……………….......................................................................................................... □ Réaliser tous les réglages nécessaires pour ne visualiser qu’un seul motif élémentaire. Compléter le tableau ci-dessous : Sensibilité verticale : ……………………………….. Vitesse de balayage : ............................................ □ Etape 3 Régler le GTBF de façon à obtenir une tension alternative de valeur maximale Umax = 4 V. Sensibilité verticale : ……………………………….. Vitesse de balayage : ............................................ Etape 4 Pour la suite du questionnaire, la tension étudiée sera une tension sinusoïdale de valeur maximale 3 V. Ces deux réglages ne seront plus modifiés. Compléter les tableaux suivant : Signal 1 Signal 2 Signal 3 f = 500 Hz f = 1000 Hz f = 2000 Hz Vitesse de balayage : Vitesse de balayage : Vitesse de balayage : ………………………….. ………………………….. ………………………….. Motif (DIV) : ……………. Motif (DIV) : ……………. Motif (DIV) : ……………. T = ………………… T = ………………… T = ………………… Quelle relation mathématique existe entre la période T exprimée en seconde et la fréquence f exprimée en hertz ? ……………….......................................................................................................... ……………….......................................................................................................... ……………….......................................................................................................... ……………….......................................................................................................... ……………….......................................................................................................... ……………….......................................................................................................... S3 - Troisième séance / Évaluation formative Désormais, les élèves travaillent seuls. Le groupe classe est séparé en deux sousgroupes. L’activité dure 15 min puis le deuxième groupe remplace le premier pour autres 15 min. Ils doivent faire apparaître sur l’écran de l’oscilloscope des tensions aux caractéristiques imposées tout en complétant le document distribué. Le groupe qui n’est pas en évaluation travaille sur un document sur la tension du secteur. Chaque élève a devant lui un oscilloscope, un GTBF, différentes piles et les fils de connexion nécessaires. Les élèves montrent au professeur les oscillogrammes obtenus. La correction a lieu en classe entière. Le professeur affiche à l’écran l’allure des tensions qu’il fallait obtenir. Chaque élève se corrige et s’auto-évalue à l’aide de sa grille (S3). En toute fin de séance, le professeur valide les capacités expérimentales sur la grille élève. Une remédiation a lieu en présence du professeur pour les élèves en difficulté. Evaluation : L’oscilloscope Après avoir réglé l’oscilloscope, afficher à l’écran les oscillogrammes des trois tensions électriques imposées. Faire appel au professeur, en levant la main, pour vérification. Reproduire les signaux sur les écrans suivant et préciser les réglages. Tension continue négative de - 4,5 V Sensibilité verticale : ………… Vitesse de balayage : ……….. Tension alternative triangulaire. Umax = 3 V f = 4 000 Hz Sensibilité verticale : ………… Vitesse de balayage : ……….. T = …………………………….. Tension alternative sinusoïdale. Umax = 5 V f = 50 Hz Sensibilité verticale : ………… Vitesse de balayage : ……….. T = …………………………….. Séance ultérieure / Évaluation sommative expérimentale Cette dernière séance sur l’oscilloscope fait l’objet d’une évaluation sommative des capacités expérimentales. A l’aide de l’oscilloscope, chaque élève vérifie (ou pas) que l’alimentation fournit bien les tensions définies par la position de ses sélecteurs : 6 V continu, 12 V continu, 6 V alternatif, 12 V alternatif. 3e ÉLECTRICITÉ. ÉVALUATION Nom, Prénom, Classe : …………………………………………………………..……. Commentaires : Note : Vous disposez d’un oscilloscope, de fils de connexion et d’un générateur appelé alimentation. En fonction des réglages, ce générateur peut fournir différentes tensions. Vous devrez vérifier à l’aide de l’oscilloscope que les tensions fournies par l’alimentation correspondent bien aux réglages choisis. Pour chaque réglage, vous reproduirez l’écran de l’oscilloscope et compléterez les tableaux ci-dessous. Réglage 2 : 6 V continu …/1 Sensibilité verticale : ………… Vitesse de balayage : ……….. U = ……………………………. …/1 …/1 …/2 Réglage 2 : 12 V continu …/1 Sensibilité verticale : ………… Vitesse de balayage : ……….. U = ……………………………. …/1 …/1 …/2 Réglage 2 : 6 V alternatif …/2 Sensibilité verticale : ………… …/1 Vitesse de balayage : ……….. …/1 U max = ………………………… …/2 T = : …………………………... f = : …………………………… …/2 …/2 Réglage 2 : 12 V alternatif …/2 …/1 Sensibilité verticale : ………… …/1 Vitesse de balayage : ……….. …/2 U max = ………………………… T = : …………………………... f = : …………………………… …/2 …/2 Questions : 1) Le signal alternatif obtenu est-il sinusoïdal, triangulaire ou rectangulaire ? ……………………………………………………………………………………… … / 1 ……. 2) La valeur maximale de la tension alternative correspond-elle aux réglages de l’alimentation ? ……………………………………………………………………………………… … / 2 ……. ……………………………………………………………………………………… ……. …/2 3) L’alimentation est-elle déréglée ? ……………………………………………………………………………………… ……. L’alimentation est alimentée par la prise du secteur (tension du secteur). Cette alimentation est capable de transformer la valeur maximale de la tension mais pas la fréquence ni la forme du signal quand elle fonctionne en mode alternatif. 4) La fréquence et la forme de la tension trouvée étaient-elles …/2 prévisibles ? ……………………………………………………………………………………… ……. ……………………………………………………………………………………… …….
