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TP Physique N° 12 |
L'oscilloscope. Enoncé. |
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MATÉRIEL : |
- Oscilloscope,
chronomètre, G.B.F, |
I- Introduction : Exemples
d’instruments de mesure de temps.
- Le
pendule simple : en 1602, Galilée découvre que les petites oscillations d’un
pendule simple sont périodiques.
- En
1657, Christian Huygens utilise les propriétés des oscillations du pendule
pour construire la première horloge mécanique.
- La
période d’un pendule est facile à mesurer à l’aide d’un chronomètre.
- En
revanche, si l’on veut étudier des phénomènes beaucoup plus rapides, il faut
disposer d’outils adaptés.
- Parmi
ceux-ci, on trouve l’oscilloscope.
II- Description de
l'oscilloscope.
1)- Présentation.
C'est un appareil à
faisceau d'électrons. Il comprend :
- Un
canon à électrons
- Un
écran qui est constitué d’une plaque fluorescente
- Des
plaques de déviation. Les plaques Y et Y' sont
les plaques de déviation verticale et les plaques X et X' sont
les plaques de déviation horizontale.
- Schéma :
2)- Le canon à
électrons.
- La
cathode chauffée par un filament émet des électrons. C’est l’effet
thermoélectronique.
- Ces
électrons sont accélérés par une anode creuse. Le canon à électrons projette
un faisceau d’électrons.
- Par
action sur la substance fluorescente de l’écran, ces particules provoquent
l’apparition d’un spot lumineux.
3)- Les plaques de
déviations.
- Les
plaques horizontales Y et Y’. Si
elles sont reliées à des bornes + et -,
elles permettent la déviation du spot vers le haut ou vers le bas.
- Ce
sont les plaques de déviation verticale.
- On
observe sur l’écran la tension électrique qu’elles subissent.
- Remarque :
la tension entre deux bornes A et B est
égale à la différence de potentiel entre ces bornes.
- On
écrit : U AB = V A
- V B
: unité : volt V
- Le
potentiel électrique en un point représente l’état électrique de ce point ou
le niveau électrique de ce point.
- Les
plaques verticales X et X’.
Elles permettent la déviation du spot de gauche à droite de l’écran.
- Ce
sont les plaques de déviation horizontale.
III- Réglages
préliminaires.
1)- Schéma de
l’oscilloscope.
2)- Réglages de base de
l’oscilloscope.
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Boutons de
réglage de l’oscilloscope |
Rôle. |
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Interrupteur
Marche-Arrêt et diode témoin. |
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Réglage de la
luminosité du spot ou de la trace lumineuse. |
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Réglage de la
concentration, de la netteté du spot lumineux et des traces des
voies A et B. |
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Centrage horizontal
du spot ou des deux traces des voies A et B. |
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Base de temps ou
durée de balayage (ou vitesse de balayage) ens /
div, ms / div
ou μs
/ div. Ce bouton permet l’étalement horizontal du spot ou
de la trace. On parle aussi de sensibilité horizontale. |
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Choix du mode de
synchronisation. |
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Ces boutons
permettent d’ajuster le niveau de synchronisation et de
stabiliser le signal. |
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Choix de l’affichage
des courbes : voie A seule,
mode XY (
la voieA est
en abscisse et la voie B en
ordonnée), voies A et B,
voies Aet B additionnées
en une seule courbe, voie B seule. |
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Centrage vertical de
la voie A ou
de la voie B. |
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Calibre vertical ou
sensibilité verticale de la voie A ou
de la voie Ben V / div ou
en mV / div. |
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Touche de changement
de signe de la tension à la voie B. |
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Type de tension
applicable à la voie : AC :
tension alternative seule. DC (direct
courant) tension alternative et continue. GND : mise
à zéro de la tension appliquée à la voie. |
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Bornes de
branchement de la voie A ou
de la voie B. |
Repérer
sur l’oscilloscope, à l’aide de la fiche technique qui vous a été
distribuée, les boutons qui permettent :
- De
mettre l’appareil sous tension,
- De
régler la luminosité du spot ou de la ligne lumineuse,
- De
régler la finesse du spot ou de la ligne lumineuse,
- De
centrer le spot ou la ligne lumineuse,
- De
changer la vitesse de balayage du spot.
Allumer
l’oscilloscope :
- Régler
la durée de balayage sur 0,2 s / div, ajuster la luminosité et la position
du spot lumineux.
Indiquer
les observations. Faire un schéma de la face avant d’un oscilloscope.
IV- La base de temps
ou le balayage.
Ce dispositif permet au
spot lumineux de se déplacer horizontalement avec une vitesse constante
réglable.
Le spot se déplace de
gauche à droite puis revient à gauche instantanément et repart.
Pour faire varier la
vitesse, on utilise le bouton : base de temps ou durée de balayage.
À partir d'une certaine
vitesse, on observe une ligne lumineuse horizontale.
La persistance des
impressions lumineuses sur la rétine ne permet plus de distinguer le
déplacement du spot lumineux.
Lorsque le balayage est
enclenché, la courbe obtenue donne les variations de la tension appliquée
aux plaques X, X' en
fonction du temps.
On appelle oscillogramme
la figure visualisée sur l’écran d’un oscilloscope.
Elle est obtenue grâce
au déplacement du spot.
1)- Manipulation 1.
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ʘ Pour
des sensibilités différentes de la base de temps, le spot balaie
l’écran de gauche à droite plus ou moins vite. |
Localiser
le bouton base de temps ou durée de balayage sur l’oscilloscope.
- Régler
la sensibilité de la base de temps pour obtenir un déplacement du spot le
plus lent possible.
- Chronométrer
la durée mise par le spot pour traverser l’écran.
En
déduire la durée mise par le spot pour parcourir une division (une division
mesure 1 cm).
- Comparer
le résultat obtenu avec la sensibilité de la base de temps. Calculer la
vitesse du spot en m / s.
2)- Manipulation
2.
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ʘ La
sensibilité de la base de temps est le temps mis par le spot
pour parcourir une division (1 cm).
- Les
différentes unités : s
/ div, ms
/ div et μs
/ div.
- En
mode balayage, l’axe horizontal de l’oscilloscope représente
l’axe des temps. |
I Augmenter
la sensibilité de la base de temps de la plus petite à la plus grande :
- à
partir de quelle sensibilité ne peut-on plus suivre le spot lumineux des
yeux quand il balaie l’écran ?
Noter
la valeur de cette sensibilité et déterminer la valeur de la vitesse du
spot. Quel est le phénomène mis en cause ?
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ʘ Lorsque
la durée totale du balayage de l’écran est inférieure à 0,10 s (
s = 10 ms / div), la persistance rétinienne des impressions
lumineuses permet d’observer un trait horizontal continu et
stable. |
V- Mesure d’une
période.
1)-
Rappels.
- La
période :
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La période T est
la plus petite durée au bout de laquelle la tension se reproduit
identique à elle-même.
L'unité de période est la seconde symbole s. |
- La
fréquence :
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La fréquence f est
le nombre de période par seconde.
C'est l'inverse de la période.
L'unité de fréquence est l'Hertz, symbole Hz. |
2)- Le générateur
basses fréquences : G.B.F.
C’est un générateur de
tension alternative : il délivre les tensions suivantes
- Tension
en dent de scie ou tension triangulaire,
- Tension
en créneau ou tension carrée,
- Tension
Sinusoïdale.
3)- Présentation.
4)- Réglage du G.B.F.
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Boutons de réglage du G.B.F |
Rôle. |
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Face arrière |
Power ON
/ OFF commutateur « marche-arrêt » |
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Affichage de
la fréquence. Les symboles des commandes sont rappelés sur
l’afficheur. |
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Choix de la
gamme de fréquence. |
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Inversion de
la polarité du signal de sortie. |
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Choix de la
forme du signal de sortie (rectangulaire, triangulaire et
sinusoïdale). |
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Atténuation
de l’amplitude du signal de sortie. |
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Réglage de
la fréquence du signal de sortie. |
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Réglage du
rapport cyclique du signal de sortie. (Tirée, cette commande
permet d’ajuster la dissymétrie dans le temps du signal de
sortie. La fréquence est alors divisée par dix) |
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Ajout d’une
composante continue au signal de sortie (tirée, cette commande
permet de superposer une tension continue réglable au signal de
sortie) |
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Réglage de
l’amplitude du signal de sortie. |
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Sortie BNC du
signal défini par les commandes précédentes. |
Repérer
sur le G.B.F, à l’aide de
la fiche technique qui vous a été distribuée, les boutons qui permettent :
- De
mettre l’appareil sous tension,
- De
régler la gamme de fréquence,
- De
régler la fréquence du signal de sortie,
- De
choisir la forme du signal de sortie,
- De
régler l’amplitude du signal de sortie..
Allumer
le G.B.F :
- Régler
la fréquence sur 1000 Hz et le bouton de réglage de l’amplitude du signal
aux ¾ de la graduation.
- Relier
le G.B.F à
la voie A de l’oscilloscope : bornes rouges ensembles et bornes noires
ensembles.
5)- Étude de la tension
triangulaire.
Sélectionner
la tension triangulaire.
Régler
l’oscilloscope de manière à obtenir un oscillogramme exploitable.
Reproduire
l’oscillogramme au crayon. Mettre en évidence le motif.
- Déterminer
la valeur de la période à l’aide de l’oscillogramme.
- En
déduire la valeur de la fréquence.
- Modifier
la valeur de la sensibilité s
de la durée de balayage.
- La
période et la fréquence ont-elles changé ? Justifier la réponse.
- Modifier
la valeur de l’amplitude délivrée par le G.B.F.
- La
période et la fréquence ont-elles changé ?
6)- Tension en
créneau : idem.
Sélectionner
la tension en créneau.
Régler
l’oscilloscope de manière à obtenir un oscillogramme exploitable.
Reproduire
l’oscillogramme au crayon. Mettre en évidence le motif.
- Déterminer
la valeur de la période à l’aide de l’oscillogramme.
- En
déduire la valeur de la fréquence.
- Modifier
la valeur de la sensibilité s
de la durée de balayage.
- La
période et la fréquence ont-elles changé ? Justifier la réponse.
- Modifier
la valeur de l’amplitude délivrée par le G.B.F.
- La
période et la fréquence ont-elles changé ?
7)- Tension
sinusoïdale : idem.
Sélectionner
la tension sinusoïdale.
Régler
l’oscilloscope de manière à obtenir un oscillogramme exploitable.
Reproduire
l’oscillogramme au crayon. Mettre en évidence le motif.
- Déterminer
la valeur de la période à l’aide de l’oscillogramme.
- En
déduire la valeur de la fréquence.
- Modifier
la valeur de la sensibilité s
de la durée de balayage.
- La
période et la fréquence ont-elles changé ? Justifier la réponse.
- Modifier
la valeur de l’amplitude délivrée par le G.B.F.
- La
période et la fréquence ont-elles changé ?
VI- Étude
complémentaire.
1)- Montage 1:
- Matériel : D.E.L :
diode électroluminescente verte ou rouge ; conducteur ohmique de résistance R =
220 Ω.
Réaliser
le montage suivant, le faire vérifier.
2)- Observations :
Sélectionner
la tension sinusoïdale.
Régler
la fréquence du G.B.F sur
1 Hz et le bouton d’amplitude de la tension à moitié de graduation.
Puis
augmenter la valeur de la fréquence délivrée par le G.B.F.
- Quelles
sont les observations que l’on peut faire ? Quelle conclusion peut-on
tirer ?
3)- Montage 2 :
Réaliser
le montage suivant et le faire vérifier.
Sélectionner
la tension sinusoïdale.
Régler
la fréquence du G.B.F sur
500 Hz et le bouton d’amplitude de la tension à moitié de graduation.
Régler
l’oscilloscope de manière à obtenir un oscillogramme exploitable.
Reproduire
l’oscillogramme au crayon. Mettre en évidence le motif.
- Que
visualise-t-on à l’écran de l’oscilloscope ?
- Déterminer
la valeur de la période à l’aide de l’oscillogramme. En déduire la valeur de
la fréquence.
- Modifier
la valeur de la sensibilité s
de la durée de balayage.
- La
période et la fréquence ont-elles changé ? Justifier la réponse.
- Quel
est le rôle de la diode électroluminescente ?
Relier
la borne P à
la voie B de
l’oscilloscope.
Appuyer
sur la touche DUAL pour
afficher les deux courbes.
- Les
comparer. Conclusion.