Visualiser une tension variant dans le temps (correction)

Physique – Terminale S TP n°0
Correction
Visualiser une tension variant dans le temps (correction)
La maîtrise de la visualisation temporelle de tensions est capitale en sciences expérimentale : la plupart des capteurs
utilisés génèrent un signal électrique qui doit être acquis, traité et interprété. L’objectif de ce TP est d’utiliser un
oscilloscope et un ordinateur muni d’une interface d’acquisition pilotés par Latis Pro pour visualiser une simple tension
sinusoïdale.
1 - Rappels
1.1 - Lire et compléter la fiche de rappels sur les générateurs de tension et l’oscilloscope
1.2 - Tension alternative sinusoïdale
Une tension alternative sinusoïdale est de la forme
( ) sin 2 sin 2
m m
t
u t U U f t
T
  , où
►Umest l’amplitude de la tension : strictement positive, c’est la valeur de la tension comptée entre 0 et un maximum.
►T est la période temporelle et f la fréquence.
Rappeler les unités de ces 2 grandeurs et la relation qui les lie
Pour une période exprimée en secondes (s), la fréquence f sera donnée en hertz (Hz) par la relation
1
f
T
.Le hertz est
l’équivalent de la s–1.
►2t
T
est l’angle-argument du sinus, appelé phase ; est la phase pour t = 0 (phase à l’origine).
3 - Utilisation de l’oscilloscope pour visualiser la tension
On prendra l’exemple
( ) 3 sin 2 1000.
u t t
  .
3.1 - Réglages du G.B.F
- sélectionner le signal sinusoïdal
- régler l’amplitude à 3,00 V et la fréquence à 1 000 Hz avec le multimètre
3.2 - Visualisation
- Brancher l’oscilloscope pour visualiser la tension
- Choisir un balayage horizontal de façon à avoir un trait continu
- Mettre ce signal au milieu de l’écran en se servant du « zéro » (bouton 5)
- Choisir une acquisition en mode « alternatif » avec le bouton 5
- Régler la base de temps (horizontale) pour avoir sur l’écran au moins 2 périodes
- Régler la sensibilité verticale pour que la courbe soit la plus « grande » possible
- Préciser la base de temps utilisée et le gain vertical .Tracer la courbe ci contre.
L’amplitude est réglée au multimètre : on voit que, sur l’oscillo,
elle est de 2 carreaux à 2 V/div, soit de 4 V !
L’amplitude est réglée à l’oscillo (3 carreaux à 1 V/div) : on voit
que sur le multimètre, la tension aux bornes du générateur n’est
que de 2,14 V !
Balayage horizontal : 0,5 ms/div
Sensibilité verticale : 1 V/div

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Explication : le multimètre ne mesure pas l’amplitude Um de la tension, mais sa valeur efficace Ueff ; les deux grandeurs
sont liées par un facteur « racine carrée de 2 » qui explique les différences observées.
Conclusion : l’amplitude d’une tension sinusoïdale se règle à l’oscilloscope ! A moins de tenir compte du facteur
2
.
La fréquence, elle, peut se régler au multimètre.
4 - Utilisation de l’ordinateur + interface + « LatisPro » pour visualiser la tension u(t) = 3 sin ( 2.1000 t )
1. Réaliser l’acquisition de la tension u(t) avec les paramètres d’acquisition suivants.
+ nombre de points : 200 points
+ durée totale : prendre au moins 2 T
+ déclenchement : source : aucune
2. Faire apparaître les grandeurs dans le tableur (se reporter à la page correspondante dans le classeur).
Il suffit de se placer dans la liste des courbes, d’ouvrir une fenêtre de tableur et d’y glisser-déposer la courbe dont on veut
afficher les valeurs tabulées.
Fenêtres graphiques : pensez à l’outil contextuel accessible par un clic droit.
Mesure de la période
Ici, l’outil « réticule » permet de
définir une nouvelle origine à
partir de laquelle sera mesuré le
temps. On peut alors mesurer
plusieurs périodes, ici quatre, et
en déduire la valeur de la
période, T = 1 ms.
nouvelle origine
abscisse pour 4 périodes
4 T

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3. Modéliser la courbe : se reporter à la page correspondante dans le classeur
Mesure de l’amplitude
L’outil « réticule » permet de mesurer Umax = 3,0 V.
Les courbes d’acquisition
EA0 et de modélisation
uth se superposent
parfaitement.
A noter que Latis Pro
permet également, à partir
de EA0, de modéliser et de
retrouver les paramètres
du signal.
On choisit ici une
modélisation sinusoïdale

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4. Créer une grandeur uth dans la feuille de calcul avec les paramètres théoriques de u(t) (cf. 3) et la visualiser en
fenêtre 1.
Problème : on veut l’intensité i = g(t) traversant un résistor de résistance R = 100
. La tension aux bornes du résistor
est la tension u(t) acquise précédemment.
5. Utiliser la feuille de calcul pour calculer i.
6. Visualiser i = g(t) en fenêtre 2.
Vous travaillez en réseau : pensez à enregistrer fréquemment votre travail dans le répertoire « Mes Documents » ; c’est un dossier réseau
auquel vous pouvez accéder depuis n’importe quel ordinateur de l’établissement, et à travers l’ENT depuis chez vous.
L’outil « feuille de calcul »
permet de créer de nouvelles
fonctions. Ici, la fonction
représentative de l’intensité i
du courant dans le circuit
étudié s’obtient à partir d’un
calcul sur la tension EA0.
Um=3 définition de l’amplitude
f=1000 définition de la fréquence
Uth=Um*sin(2*Pi*f*Temps) définition (et création) de Uth
Il faut bien indiquer les multiplications ; noter que la variable « t »
est appelée « Temps » dans Latis Pro.
R=100 définition de la résistance
I=EA0/R définition (et création) de l’intensité depuis EA0
DECODAGE
[200] indique que 200
valeurs ont été créées
avec succès par calcul.

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UPN
P
+
N
−
RAPPELS SUR LES GENERATEURS DE TENSION ET SUR L'OSCILLOSCOPE
A - Générateurs et tensions
1 - Tension continue - Tension variable
Une tension continue est une tension constante. C’est le cas de la tension aux bornes d’une pile ou d’un de nos
générateurs jaunes AL781NX (les repères +/– sont toujours indiqués).
Une tension variable est une tension qui varie dans le temps. C’est le cas de la tension aux bornes d’un GBF
(Générateur Basse Fréquence) ou aux bornes d’une prise du secteur EDF (il n’y a pas de distinction entre les deux
bornes).
Unité dans le SI : en l’honneur de l’inventeur de la pile, Alessandro Volta (1745-1827), c’est le volt, de symbole V.
2 - Générateur idéal de tension
Un générateur idéal de tension est un générateur de résistance interne nulle .
La tension UPN à ses bornes est alors constante et égale à la f.e.m notée E.
La valeur de cette tension est réglable avec les générateurs du labo.
La tension UPN désigne la différence de potentiel électrique (noté V) entre les points P et N du circuit,
UPN = VP– VN
Cette différence est nulle lorsque les points sont reliés par un fil (ils sont alors au même potentiel) mais ne l’est pas
lorsqu’un dipôle est placé entre ces deux points (un générateur ici). Le potentiel électrique d’un point traduit son état
électrique ; en électricité, on n’a accès qu’à la différence d’état électrique entre les points : c’est elle qui est responsable
de la circulation éventuelle d’électricité, à la manière d’une circulation d’eau entre 2 points d’altitudes (énergie
potentielle de pesanteur) différentes. Ici, le point P est « plus plus » que le point N, ce qui implique que VP > VN et
qu’ainsi UPN = VP– VN > 0
Par convention, les fléches de tension pointent sur le premier point appelé : P pour UPN, A pour UAB…
Remarque : un générateur de tension est idéal lorsqu’il est capable de maintenir la tension à ses bornes constante quelle
que soit le circuit de charge que l’on branche à ses bornes.
L’intensité
L’électricité peut être vue comme un mouvement de porteurs de charge : électrons dans les métaux (fils), ions en
solutions… Ces particules chargées se mettent en mouvement en présence d’une différence de potentiel : dans le cas
d’électrons, par exemple, chargés négativement, la circulation se fera en fuyant les potentiels plus élevés et en allant vers
les potentiels les plus faibles (du « moins » vers le « plus », en somme). En revanche, on représente conventionnellement
le courant électrique en sens inverse de la circulation électronique : l’intensité étant un débit de charge électrique dans le
circuit, elle serait négative dans le cas d’une circulation d’électrons
Conventions générateur/récepteur
Pour gagner du temps, on a parfois recours aux conventions générateur/récepteur pour les dipôles. Le principe en est
simple : une fois la circulation réelle du courant électrique établie (circuit fléché en intensité), elles donnent le sens des
branchements à effectuer pour obtenir des tensions positives ; pour un générateur, la flèche de tension doit être dans le
même sens que celui du courant ; pour un récepteur, la flèche de tension doit être en sens contraire.
Convention générateur Convention récepteur
Postulat de départ : l’intensité circule réellement dans le sens indiqué ; celui-ci se détermine soit par mesure (signe de l’ampèremètre)
ou par les bornes du générateur.
Les électrons sont attirés par la borne P et fuient la borne N : VP
> VN, d’où UPN = VP– VN > 0
L’intensité circulant de A vers B, les électrons circulent en sens
inverse : ils fuient donc B pour aller vers A, jutifiant le fait que
VA > VB, et ainsi UAB = VA– VB > 0
La flèche de tension
pointe vers le premier
point de mesure, ici P.