II Étude du dipôle RC à l`aide d`un oscilloscope et d`un GBF.

Terminale S
TP de Physique
15. Étude du dipôle
R-C
Objectifs
- Étude de la charge et de la décharge d’un condensateur à travers une résistance.
- Utilisation de l’oscilloscope pour visualiser et mesurer des tensions.
- Utilisation de l’oscilloscope pour mesurer des durées.
I Tracé de uc = f(t) lors de la charge d’un condensateur et lors de sa décharge dans une résistance.
Réaliser le montage suivant :
On prendra
6V
uc
C = 1000 F
R = 10 k
Le condensateur utilisé étant de type
chimique, il est polarisé. Veillez à
relier sa borne - (indiquée par le sens
de la flèche sur le condensateur) à la
borne – du générateur.
C
R
R
À l’aide d’un chronomètre et d’un voltmètre, relever les valeurs prises par u c, tension aux bornes du condensateur lors de sa charge
puis de sa décharge.
Compléter les tableaux suivants. Tracer sous Excel les courbes u c = f(t) correspondantes, faire la mise en page puis imprimer le
tout.
Charge du condensateur.
t (s)
uc (V)
0
2
5
8
10
15
20
25
30
35
40
45
50
5
8
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Décharge du condensateur.
t (s)
uc (V)
0
2
Observations.
- La charge et la décharge du condensateur sont-elles instantanées ?
- Quelles sont les tensions atteintes en fin de charge et de décharge ?
- Peut-on estimer la durée de la charge ou de la décharge ?
- Quels sont les paramètres qui à votre avis peuvent avoir une influence sur la durée de la charge ou de la décharge ?
II Étude du dipôle R-C à l’aide d’un oscilloscope et d’un GBF.
1. Montage expérimental.
La charge et la décharge d’un condensateur sont des phénomènes transitoires donc courts. Etant donné la faible persistance des
« images » obtenues sur un écran d’oscilloscope, il est nécessaire de réaliser ces phénomènes de façon périodique pour en obtenir
une représentation observable.
On utilisera donc un générateur permettant d’obtenir une succession de charges et décharges afin d’observer cette succession de
phénomènes avec un oscilloscope.
Le générateur utilisé sera un générateur basse fréquence (GBF) fournissant une tension périodique en créneaux (ou signal carré).
Durant une période T, la tension uG varie de 0V à 6 V : De t = 0 à t = T/2, uG = 6V et de t = T/2 à t = T, uG = 0V.
On dit aussi que ce générateur fournit un échelon de tension.
1.1. Compléter le schéma suivant en indiquant les branchements de l’oscilloscope permettant de visualiser sur la voie 1 la tension
uG délivrée par le GBF et sur la voie 2 la tension uC aux bornes du condensateur. Représenter ces tensions par des flèches tensions.
Attention : Il faut impérativement que les masses des différents appareils (oscilloscope et GBF) soient reliées sous peine de ne
pouvoir régler l’oscilloscope.
GBF
N
M
P
Voie 1
Voie 2
R
1.2. Réaliser ce montage et les branchements de l’oscilloscope.
On prendra pour résistance R = 10 k et pour le condensateur C = 22 nF.
Appeler votre professeur de physique préféré du moment avant la mise sous tension.
1.3. Régler le GBF pour obtenir une tension en « créneaux » variant entre 0 V et 6 V.
(On dit alors que l’amplitude de l’échelon de tension est Ue = 6 V).
On utilisera la fonction de réglage du décalage (réglage de l’offset) du GBF pour ce faire.
Effectuer les réglages nécessaires (sur le GBF et sur l’oscilloscope) permettant d’observer au moins une charge et une décharge
"complètes" du condensateur.
2. Influence des différents paramètres sur la « durée de la charge »
On se propose de mesurer la durée nécessaire  pour que le condensateur initialement déchargé acquière la moitié de sa charge
maximale et de déterminer l’influence de différents paramètres sur la valeur de .
2.1. Influence de la tension de charge Ue .
Trouver une méthode permettant de mesurer  avec la meilleure précision possible.
Mesurer  pour différentes valeurs de Ue (Préciser l’unité pour ).
Ue (V)
(
)
- Conclure.
6
4
2
2.2. Influence de la résistance R.
Laisser en place le condensateur de capacité C = 22 nF et donner à R différentes valeurs en maintenant U e = 6 V.
R (k)
(
)
/R(
)
10
20
30
- Conclure.
- Qu’observe-t-on si R = 0  ?
3. Influence de la capacité C du condensateur.
Donner à R une des valeurs précédentes et changer de condensateur en maintenant U e = 6 V.
C (nF)
(
)
/C(
10
)
- Conclure.
22
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Terminale S
TP de Physique
15. Étude du dipôle R-C
Corrigé
A) Place et objectifs du TP.
Il s’agit du premier TP d’électricité qui nécessitera donc un certain nombre de « rappels » sur les circuits, la représentation et
l’algébrisation des grandeurs u et i.
La présentation du condensateur et les expériences fondamentales qui l’accompagnent auront été faites en cours. Il semble utile de
faire également en cours une étude avec saisie informatique, de la charge d’un condensateur à courant constant, pour introduire la
relation q = C.u.
L’objectif principal du TP est l’étude expérimentale de la charge (et éventuellement de la décharge ) d’un condensateur à travers
une résistance, c’est à dire l’étude de la réponse d’un dipôle R-C soumis à un échelon de tension.
Les objectifs secondaires sont multiples :
- Branchements et réglages d’un oscilloscope pour visualiser une tension variable.
- Mesures de tensions et de durées avec un oscilloscope.
- Utilisation d’un GBF.
- Réalisation d’un montage électrique.
B) Problèmes liés à l’utilisation de l’oscilloscope.
Un minimum d’explications devra être donné aux élèves.
La charge et la décharge d’un condensateur sont des phénomènes transitoires. Etant donné la faible persistance des « images »
obtenues sur un écran d’oscilloscope, il est nécessaire de réaliser ces phénomènes de façon périodique pour en obtenir une
représentation observable. C’est la raison pour laquelle on va utiliser une tension en « créneaux ».
La plupart de nos GBF possèdent un réglage de la tension de décalage (offset). Si ce n’est pas le cas le professeur peut montrer à
l’aide d’une expérience que le fait d’ajouter une tension constante décale verticalement les courbes obtenues sans modifier leur
forme.
C) Déroulement de la séance.
II 1. Montage expérimental.
1.
Les élèves complètent le schéma du montage après quelques rappels du professeur en particulier au sujet des
« masses ».
2. Après vérification les montages sont mis sous tension.
3. On peut laisser les élèves tâtonner pour obtenir des réglages convenables. Ce sera l’occasion pour eux de se familiariser
avec l'utilisation de l’oscilloscope et du GBF.
Il serait bon qu’un montage complet se trouve en fonctionnement sur la table du professeur pour montrer aux élèves ce que l’o n
désire obtenir (exemple ci-contre).
Ce montage permettra en outre au professeur de montrer à l’ensemble des groupes les difficultés qui peuvent apparaître et les
moyens d’y remédier (Par exemple, influence de la période de la tension en créneaux sur l’aspect des courbes obtenues).
II2. Influence des différents paramètres sur la « durée de la charge ».
Après avoir constaté que l’on ne peut qu'estimer la durée de charge complète, on décide de mesurer la durée nécessaire pour
atteindre une certaine fraction de la charge complète par exemple la durée de « demi-charge » notée .
Pourquoi ne pas introduire tout de suite la constante de temps ?
Tout d’abord parce que la durée de demi-charge est plus facile à mesurer pour des élèves qui ne manipulent pas très bien
l’oscilloscope. D’autre part, en donnant  = R.C la mise en évidence de la proportionnalité entre  et R puis  et C devient une
simple vérification.
2.1. On va montrer ici que  ne dépend pas de l’échelon de tension Ue .
Cette première mesure d’une durée à l’oscilloscope sera l’occasion de montrer l’importance du réglage de la base de temps pour
obtenir la meilleure précision possible.
2.2. Proportionnalité entre  et R.
2.3. Proportionnalité entre  et C.
On peut éventuellement donner une conclusion générale pour ces trois paragraphes :
La durée nécessaire pour atteindre une certaine fraction de la charge maximale ne dépend que de R et de C. Cette durée
est proportionnelle à R et à C donc proportionnelle au produit R.C.