Tracé le graphe point par point d`une tension alternative _Doc

Document du professeur 1/5
Niveau 3ème
Physique – Chimie
TRACÉ D’UNE SINUSOIDE POINT PAR
POINT A LA MAIN (valeurs maximale
et minimale, période)
Programme
Cette séance expérimentale illustre la partie de programme ci-dessous, parue dans l'annexe IV à l'arrêté du 6 avril
2007 publié au BO hors série n° 6 du 19 avril 2007, afin de tenir compte du socle commun de connaissances et de
compétences au collège (B.O. n° 29 du 20 juillet 2006).
B - ÉNERGIE ÉLECTRIQUE ET CIRCUITS ÉLECTRIQUES EN « ALTERNATIF »
B.1 - De la centrale électrique à l’utilisateur
Connaissances
Capacités
Exemples d'activités
TENSION CONTINUE ET TENSION ALTERNATIVE PÉRIODIQUE
Qu'est-ce qui distingue la tension fournie par le «secteur» de celle fournie par une pile ?
Construire une représentation
Relever point par point les variations
graphique de l'évolution d'une tension au cours du temps d'une tension
alternative périodique ; en décrire
alternative périodique.
l’évolution.
Construire à la main et/ou à l’aide
d’un tableur-grapheur la courbe
Reconnaître une tension alternative
représentant les variations d’une
périodique.
tension alternative périodique en
Déterminer graphiquement sa valeur fonction du temps.
maximale et sa période.
[B2i]
[Technologie : Architecture et cadre de vie (domotique) ; Énergie et environnement]
[Mathématiques: ordre de grandeur, notation scientifique, représentation graphique]
Pré requis de l’élève :
o L’élève sait mesurer la tension aux bornes d’un générateur.
o L’élève sait tracer un graphique.
Mots-clé
o
o
o
Tension
Périodique
Période
Liste de matériel
Poste élève
o
o
o
o
o
Générateur TBF
Multimètre
Fils de connexion noirs
Fils de connexion rouges
Chronomètre
o
o
o
Alternative
Continue
Voltmètre
Références
04730
01939
60010
60011
12823
Remarque : un voltmètre de bureau peut également être utilisé par l’ensemble de la classe (référence 01799).
De même un « compteur de temps de bureau » peut être utile pour la prise des valeurs (référence 12821)
Remarques et astuces :
© PIERRON 2008
Tracé d’une sinusoïde point
par point à la main (page 1)
Document du professeur 2/5
o
o
o
o
o
Il faut veiller à ce que les élèves relient les points à main levée, et non avec une règle, pour donner à la
courbe une forme « fluide » respectant son allure générale.
On choisira une fréquence qui permette d’obtenir un motif en un temps « raisonnable » (par exemple
une fréquence d’environ 10 mHz.)
Si l’expérience est collective, l’utilisation de la caméra permet de visualiser l’écran du voltmètre pour
les élèves situés au fond de la salle.
Le voltmètre doit être placé en mode « continu » pour cette série de mesures.
Le professeur peut utiliser le logiciel OVAO qui dispose d’une fonction chronomètre avec un
avertisseur sonore à intervalles de temps réguliers.
Prolongement technique :
Construire un graphique
Comment tracer le graphique représentant l’évolution d’une tension au cours du temps ?
1. Repérer la grandeur à porter sur l'axe des abscisses (ici le temps) et celle à porter sur l'axe des ordonnées
(ici la tension).
2. Observer les valeurs du tableau de mesures. La tension comporte des valeurs positives et négatives : on place
donc ici l’axe des abscisses au centre de la feuille.
3. Tracer les deux axes perpendiculaires sur une feuille de papier millimétré et indiquer les grandeurs sur les
axes ainsi que leurs unités :
- sur l’axe des ordonnées : tension U (V)
- sur l’axe des abscisses : temps t (s)
4. Graduer les axes
- regarder la valeur minimale et la valeur maximale sur l’axe des abscisses et des ordonnées.
- choisir une échelle simple et la plus grande possible.
- placer des divisions régulièrement espacées.
- ne pas oublier l'origine.
5. Placer les points de mesure avec des « croix comme celle-ci + » dont une branche et horizontale et l’autre
verticale (pas de croix de « Saint André : ×). Cela correspond aux valeurs de la tension et du temps pour chaque
colonne du tableau.
6. Tracer à main levée la courbe qui doit passer par un maximum de points de mesures.
(Il ne faut surtout pas tracer la courbe en reliant point par point à la règle).
7. Donner un titre au graphique et le légender si plusieurs courbes y figurent.
Compétences qu’il est possible d’évaluer
Expérimentales
-
Théoriques
© PIERRON 2008
-
Tracer le graphe point par point d’une tension alternative
sinusoïdale.
Déterminer le « motif élémentaire » d’une tension alternative
sinusoïdale.
Déterminer graphiquement la période et les valeurs maximale et
minimale d’une tension alternative sinusoïdale.
Reconnaître une tension variable.
Reconnaître une tension alternative périodique.
Tracé d’une sinusoïde point
par point à la main (page 2)
Document du professeur 3/5
Niveau 3ème
Physique – Chimie
TRACE D’UNE SINUSOIDE POINT PAR
POINT A LA MAIN (valeurs maximale
et minimale, période)
Objectifs :
- Tracer le graphe point par point d’une tension alternative sinusoïdale
- Déterminer le « motif élémentaire » d’une tension alternative sinusoïdale.
- Déterminer graphiquement la période et les valeurs maximale et minimale d’une tension alternative
sinusoïdale.
Activité 1 : Mettre en évidence une tension alternative
1. Expérience avec les DEL
Réaliser le montage ci-contre représentant deux DEL
protégées par une résistance et branchées en
dérivation et en sens inverse aux bornes d’un
générateur TBF.
.
Mettre en marche le générateur.
Qu’observez-vous ?
Les DEL clignotent alternativement. Lorsque la DEL rouge est allumée, la DEL verte est éteinte et inversement.
Que peut-on dire du sens du courant électrique ?
Le courant électrique change de sens de manière périodique.
2. Mesure avec un voltmètre
Brancher un voltmètre en mode continu aux bornes d’un générateur TBF.
Observer la tension qu’il affiche.
Comment évolue cette tension au cours du temps ?
La tension varie au cours du temps : c’est une tension variable
Elle prend des valeurs alternativement positives et négatives qui se répètent au cours du temps de façon régulière :
c’est une tension alternative périodique.
Activité 2 : Etude de la tension délivrée par un générateur TBF
1.
Relevé de la tension aux bornes du générateur TBF.
Brancher un voltmètre en mode « continu » aux bornes d’un générateur TBF.
Grâce au bouton noté « fréquence », régler le générateur
pour que les variations de la tension lue sur le voltmètre
soient assez lentes pour avoir le temps de les lire et de les
noter toutes les 5 secondes environ dans le tableau ci-après.
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Tracé d’une sinusoïde point
par point à la main (page 3)
Document du professeur 4/5
Temps t
en
secondes
Tension
U en
volts
Temps t
en
secondes
Tension
U en
volts
Temps t
en
secondes
Tension
U en
volts
Temps t
en
secondes
Tension
U en
volts
2.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
1.6
2.2
2.6
2.9
3
2.9
2.6
2.2
1.6
0.9
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
0.2
-0.5
-1.2
-1.9
-2.4
-2.8
--2.9
-3
-2.8
-2.5
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
-2
-1.3
-0.6
0.1
0.9
1.5
2.1
2.6
2.9
3
150
155
160
165
170
175
180
185
190
195
2.9
2.7
2.3
1.7
1
0.3
-0.4
-1.2
-1.8
-2.3
Tracé du graphe représentant l’évolution de la tension en fonction du temps.
Utiliser le papier millimétré pour tracer le graphe représentant l’évolution de la tension U en fonction du temps t.
Indiquer :
- sur l’axe des ordonnées : tension U (V)
- sur l’axe des abscisses : temps t (s)
Choisir l’échelle la plus adaptée.
En ordonnée : 1cm pour ……. V
En abscisse : 1 cm pour ………s
Sur papier millimétré, avec l’exemple donné, l’élève utilisera l’échelle suivante :
En ordonnée : 1cm pour 0,5 V
En abscisse : 1 cm pour 10 s
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Tracé d’une sinusoïde point
par point à la main (page 4)
Document du professeur 5/5
T
Umax
La courbe u = f(t) présente l’allure mathématique d’une sinusoïde : on dit que la tension est sinusoïdale
3. Détermination graphique de la période et des valeurs maximale et minimale d’une tension alternative
sinusoïdale.
La tension représentée est-elle alternative ? Justifier. oui, elle est alternative car elle prend des valeurs
alternativement positives et négatives
La tension représentée est-elle périodique ? Justifier. oui, elle est périodique car les valeurs se répètent
régulièrement au cours du temps.
Quelle est sa valeur maximale Umax? Umax = 3 volts
Quelle est sa valeur minimale Umin ? Umin = – 3 volts
Quelle relation existe-t-il entre Umax et Umin ? Umax et Umin sont opposés : Unim = - Umax
La courbe tracée montre un motif dit élémentaire, qui doit être le plus petit possible et qui doit se répéter
régulièrement. Repasser en couleur ce motif.
Quelle est la durée de ce motif ? 145 – 20 = 125 s
On appelle période la durée T d’un motif élémentaire qui se répète identique à lui-même.
Quelle est la période de la tension ? T = 125 s
EN CONCLUSION :
Une tension alternative prend alternativement des valeurs positives et négatives.
Une tension sinusoïdale est une tension alternative périodique caractérisée par :
- sa période T exprimée en seconde (s) qui correspond à la durée d’un motif élémentaire
qui se reproduit identique à lui-même à chaque nouvelle période.
- sa valeur maximale Umax exprimée en volts (V) qui est la valeur la plus élevée de la
tension et qui est égale à l’opposé de sa valeur minimale : Umax = - Umin
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Tracé d’une sinusoïde point
par point à la main (page 5)