ii- etude des oscillations libres du dipôle rlc

Lycée Henri de Toulouse-Lautrec (31)
ETUDE DES OSCILLATIONS LIBRES D’UN CIRCUIT RLC SÉRIE
TP de physique n°8 assisté par ordinateur (EXAO)
Objectifs :
- Mise en évidence du phénomène d’oscillations électriques dans un circuit RLC.
- Observer l'influence des paramètres R, L, C sur les oscillations libres.
- Analyser les transferts d’énergie entre bobine et condensateur pendant les oscillations.
I
I- - D DI IS SP PO OS SI IT TI IF F E EX XP PE ER RI IM ME EN NT TA AL L : :
 Réalisez le montage ci-contre avec :
- comme conducteur ohmique : boîte de résistance à décade
- comme bobine : bobine 1000/500 spires.
- comme condensateur : boîte de condensateurs (non polarisés)
 Mesurer à l’aide d’un ohmètre la résistance de la bobine pour 500 et 1000 tours.
 Connecter l’alimentation (0,+5V) du boîtier de l’interface.
 Choisir au départ R=20, C=4,7 F et la totalité de l’enroulement de la bobine.
 Connectez l'interface de l'ordinateur pour observer :
- les variations de la tension uR(t) aux bornes de la résistance sur la voie EA0.
- les variations de la tension uC(t) aux bornes du condensateur sur la voie EA1.
Q1 : Sur laquelle de ces deux voies observe-t-on les variations du courant i(t) dans le circuit ? Justifiez.
I
II I- - E ET TU UD DE E D DE ES S O OS SC CI IL LL LA AT TI IO ON NS S L LI IB BR RE ES S D DU U D DI IP PÔ ÔL LE E R RL LC C : :
1- Acquisition des données :
 Dans le répertoire physique-chimie (présent sur le bureau), ouvrir le logiciel Regressi, puis le l’application GTS2.
 Afficher l’application GTS2 à l’écran.
 Paramètrer l’application GTS2 :
 Activation des voies EA0 et EA1 :
En bas à droite cliquer sur une voie, la paramétrer :
-Voie EA0
- Symbole : UR
- Unité : V
- Maxi : +5 et Mini : -5 , puis cliquer sur activer .
Toujours en bas à droite, cliquer sur une autre voie, et la paramétrer ainsi :
-Voie EA1
- Symbole : Uc
- Unité : V
- Maxi : +5 et Mini : -5 , puis cliquer sur activer .
 Paramétrage du mode d’acquisition :
En haut, cliquer sur la fenêtre « mode » et la paramétrer ainsi :
- Mode temporel,
- Abscisse temps.
 Paramétrage de la synchronisation :
Au dessous de la fenêtre Mode, cliquer sur la fenêtre Synchronisation et la paramétrer ainsi :
- EF0 ( ou EF1, le tout est d’être en accord avec le sélecteur du boîtier de l’interface)
- Front descendant,
- Déclenchement front.
 Paramétrage du Balayage :
Au dessous de la fenêtre Synchronisation, cliquer sur la fenêtre Balayage et la paramétrer correctement en fonction du temps
caractéristique du phénomène à observer : Agir sur la durée ( 10.To) et sur le nombre de points .
 L’interrupteur étant en position E1 pour charger le condensateur, cliquer sur les flèches vertes de l’icône permettant de lancer
l’acquisition puis basculer l’interrupteur en position E2 dès que l’icône stop (rouge) apparaît.
 Une fois l’acquisition réalisée, si elle est correcte, envoyer les données recueillies dans le tableur Regressi. En cliquant sur
l’icône correspondant ( un R apparaît en bleu turquoise).
 Renouveler l’acquisition pour plusieurs valeurs de R, L et C.
uR
UG
C
uC
K
E1
E2
i
L
+
M
R

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ATTENTION : Lors de l’envoie des données vers le logiciel Régressi à partir de l’application GTS2, la première fois il faut cliquer
sur « nouveau fichier » puis pour les autres expériences il faut cliquer sur « nouvelle page ».
2- Exploitation des données : Cette partie sera traitée à partir du logiciel tableur REGRESSI.
a- Quels sont les différents régimes d’oscillations du circuit RLC série ?
Condensateur et bobine choisis, on se propose d’observer l’influence de la résistance du circuit sur les variations de la tension aux
bornes du condensateur en fonction du temps.
 Faire afficher les variations de uC en fonction du temps pour chaque expérience.
Pour cela cliquer sur l’icône « coordonnées » et supprimer les variation de uR en fonction de t.
 Certaines courbes font apparaître un régime oscillatoire amorti, appelé régime pseudo-périodique, d’autres courbes ne font
apparaître aucune oscillation, on parle alors de régime apériodique.
Q2 : Donner la représentation des variations de uC en fonction du temps pour ces deux régimes.
Q3 : Avec L et C fixés, quelle est l’influence de R sur la décharge du condensateur.
 Mesurer la pseudo-période Texp à partir de la courbe uC =f(t) pour l’expérience n°2.
b- Quels paramètres influent sur la valeur de la pseudo-période T ?
Q4 : Quelles expériences permettent de conclure sur l’influence de la valeur de L sur la pseudo-période T des oscillations ?
Comparer les valeurs de T pour chacune de ces courbes et conclure.
Q5 : Quelles expériences permettent de conclure sur l’influence de la valeur de C sur la pseudo-période T des oscillations ?
Comparer les valeurs de T pour chacune de ces courbes et conclure.
Q6 : La valeur de la résistance R du conducteur ohmique a-t-elle une influence sur la valeur de T lorsque l’amortissement est
faible ? Justifier.
c- Modélisation des points expérimentaux :
 Afficher les variations de uC obtenues à partir de l’expérience n°2.
 Cliquer sur l’icône modélisation, choisir le modèle adapté et modéliser la courbe expérimentale en cliquant sur Ajuster..
ATTENTION, dans certains cas où le début de l’acquisition est décalé, il est nécessaire de modifier les bornes de modélisation en
déplaçant la croix bleue sur la courbe modélisée , puis de cliquer sur Ajuster.
 Si le modèle choisi est en accord avec les points expérimentaux, noter la valeur de la pseudo-période T à partir des paramètres de
modélisation.
Q6 : A partir des résultats de la modélisation, noter la valeur de la pseudo-période Tmodèle et le comparer à Texp et conclure.
Q7 : L’expression de la période propre d’un circuit LC (idéal) est To = 2
CL.
. En assimilant la pseudo-période à la période
propre ( on néglige alors l’amortissement, donc la résistance R ), déterminer la valeur de l’inductance L de la bobine de 1000 tours.
c- Quelle interprétation énergétique des oscillations peut-on faire ?
On se propose dans cette partie de mettre en évidence les transferts d'énergie entre condensateur et bobine.
L'étude sera effectuée sur les mesures issues de l’expérience n°2.
Q8 : Donner l’expression i en fonction de uR.
Q9 : Quelle est la puissance Pj dissipée par effet joule. En déduire l’expression de l’énergie Ej dissipée par effet joule.
 Créez les grandeurs suivantes :
- i (courant),
- Ee (énergie électrostatique du condensateur),
- Em (énergie magnétique de la bobine),
- E = Ee + Em (énergie totale du circuit RLC ).
- Ej (Energie dissipée par effet joule à travers le conducteur ohmique)
- Et (énergie totale) = E+Ej
 Affichez sur le même graphe (même axe des ordonnées) les courbes Ee(t), Em(t), E(t), Ej(t) et E(t).
Q10 : Commentez l'allure des courbes Ee(t) et Em(t).
Q11: L'énergie électrique E(t) se conserve-t-elle lors des transferts entre condensateur et bobine ?
Q12 : Sous quelle forme cette énergie est-elle dissipée ?justifier.
Q13 : Comment faire pour limiter ces pertes ? Vers quel régime d’oscillations tendrait-on dans ce cas ?
Q14 : Comment faire pour obtenir un régime périodique à partir d’un circuit RLC série ?
N° d’expérience
1
2
3
4
5
R ()
20
20
20
60
500
L (Nbre de tours)
1000
1000
500
1000
1000
C (µF)
1
4,7
4,7
4,7
4,7

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Fin.