Niveau 3 ème Physique - Chimie Dcument du prfesseur 1/6 Mesure de la péride à l scillscpe- Fréquence Prgramme B. Energie électrique et circuits électriques en «alternatif» B1 - De la centrale électrique à l utilisateur Cnnaissances Capacités Exemples d'activités L OSCILLOSCOPE ET/OU L INTERFACE D ACQUISITION, INSTRUMENT DE MESURES DE TENSION ET DE DURÉE Que signifient les curbes affichées par un scillscpe u sur l écran de l rdinateur? La fréquence d'une tensin péridique et sn unité, le hertz (Hz), dans le Système Internatinal (SI). Recnnaître à l'scillscpe, u grâce à une interface d acquisitin, une tensin alternative péridique. Mesurer sur un scillscpe la valeur maximale et la péride. Utilisatin d un scillscpe sans balayage, puis avec balayage. Réalisatin d une acquisitin à l aide de l'rdinateur. [B2i] Utilisatin d un fréquencemètre. Relatin entre la péride et la fréquence. La tensin du secteur est alternative. Elle est sinusïdale. La fréquence de la tensin du secteur en France est 50 Hz. Recherche dcumentaire: allure et caractéristiques de la tensin du secteur. Pré requis de l élève Utilisatin et réglage d un scillscpe avec u sans balayage ; Déterminatin d un «mtif élémentaire» d une tensin alternative sinusïdale ; La ntin de fréquence et péride d un phénmène péridique. Mts-clé Tensin alternative sinusïdale, Péride, Fréquence, Fréquencemètre. Liste de matériel Pste élève Référence Générateur de tensin alternative sinusïdale 01981 Fréquencemètre 22049 Oscillscpe 04519 Fils de cnnexin ruge 60101 Fils de cnnexin nir 60100 GTBF 04730 PIERRON 2008 Mesure de la péride à l scillscpe (page 1)
Remarques, astuces Dcument du prfesseur 2/6 Tute manipulatin directe sur la tensin du secteur est strictement interdite ; pur tute visualisatin de la péride et de la fréquence de cette tensin, il cnvient d utiliser des transfrmateurs très basse tensin de sécurité (TBTS) ; n dispse alrs d une image de la tensin du secteur. Du pint de vue de la sécurité électrique, «Très Basse Tensin» crrespnd en «alternatif» à des tensins inférieures u égales à 50 V. Au cllège, il est recmmandé de rester dans des dmaines de tensins crrespndant à la très basse tensin de sécurité (TBTS), c est-à-dire à des tensins inférieures à 25 V en alternatif. Pur l activité 1, le prfesseur, s il juge dispser de suffisamment de temps, purra faire étaler un «mtif élémentaire» au maximum sur la largeur de l écran afin d amélirer la mesure de la péride T. En fnctin du niveau de la classe, le prfesseur impsera le calibre du fréquencemètre u le laissera chisir par les élèves... en vérifiant! En ce qui cncerne l activité 3, n purra impser les fréquences aux élèves (de 50 à 500 Hz par exemple) si le niveau de la classe le justifie. On précisera aux élèves que le fréquencemètre ne dnne des mesures fiables que pur les fréquences des tensins alternatives sinusïdales et est limité en gamme de mesures. Lrsque les fréquences deviennent trp grandes u lrsqu elles ne snt pas sinusïdales n peut calculer leur fréquence en mesurant leur péride à l scillscpe et en appliquant la relatin f = 1/T Prlngements Thème de cnvergence santé «Les fréquences cardiaques» Le rythme cardiaque (u fréquence cardiaque) est au sens médical du terme le mécanisme électrphysilgique à l rigine de la cntractin des ventricules. Dans le sens cmmun, le rythme (u fréquence) est le nmbre de battements cardiaques (pulsatins) par minutes. La manière la plus simple d'évaluer le rythme cardiaque est de prendre le puls. Cela cnsiste à appuyer avec les digts, à travers la peau, une artère cntre un s ; la pulpe des digts permet de sentir les gnflements de l'artère dus à l'augmentatin de la pressin artérielle par la cntractin du cœur (systle). D'autres méthdes, que la perceptin du puls, peuvent être utilisées pur le calcul de la fréquence cardiaque : écuter le cœur à l aide d un stéthscpe, visualiser les battements cardiaques sur un écran d rdinateur u enregistrer un électrcardigramme snt des myens simples de surveillance autmatisée de la fréquence cardiaque. pser un capteur au but d'un digt u sur l'reille permet d analyser en temps réel la variatin de culeur du sang suivant sn xygénatin. dans certains cas, n peut intrduire un fin cathéter dans une artère, relié à un capteur de pressin : la variatin cyclique des pressins ainsi mesurée permet de calculer en temps réel le rythme cardiaque. Chez l'adulte en bnne santé, au reps, le puls se situe entre 50 (sprtif pratiquant l'endurance) et 80 pulsatins par minute. Pendant un effrt, la fréquence cardiaque maximale thérique vaut «220 mins l'âge» (exemple : 180 pulsatins par minute à 40 ans). Plusieurs cnditins peuvent faire accélérer u ralentir la fréquence cardiaque. Sa mesure est un util diagnstique très imprtant pur les médecins u les sprtifs de haut niveau. PIERRON 2008 Mesure de la péride à l scillscpe - Fréquence (page 2)
Cmpétences qu il est pssible d évaluer Dcument du prfesseur 3/6 Expérimentales - Utiliser un scillscpe avec balayage - Régler un scillscpe - Mesurer une péride à l scillscpe - Utiliser un fréquencemètre - Chisir le calibre le mieux adapté - Répartir les rôles dans le grupe - Suivre un prtcle - Ordnner la paillasse pur réaliser un travail crrect - Ranger le matériel Thériques - Tirer une cnclusin - Truver la relatin entre la péride et la fréquence - Réaliser un calcul mathématique simple - Calculer la fréquence de la tensin du secteur PIERRON 2008 Mesure de la péride à l scillscpe - Fréquence (page 3)
Nm : Prénm : Classe : Date : Physique Chimie Dcument du prfesseur 4/6 Déterminatin de la péride à l scillscpe- Fréquence Objectifs Calculer la péride d une tensin alternative sinusïdale avec un scillscpe ; Mesurer la fréquence d une tensin alternative sinusïdale avec un multimètre en mde fréquencemètre ; Utiliser la relatin f = 1 / T. ACTIVITE 1 : Déterminatin de la péride T d une tensin alternative sinusïdale avec un scillscpe Un générateur «de cllège» délivrant une tensin alternative sinusïdale est relié à un scillscpe. 1. Régler la sensibilité verticale de l scillscpe pur btenir l scillgramme le plus haut pssible sans srtir des limites supérieure et inférieure de l écran. 2. Régler la durée θ du balayage hrizntale pur bserver deux «mtifs élémentaires»*. Nter la durée du balayage : θ = 5 ms/divisins (d après l exemple phtgraphié) 3. Cmpter sur l axe hrizntal le nmbre X de divisins crrespndant à la péride d un «mtif élémentaire».* X = 4 divisins 4. La valeur de la péride T de la tensin alternative s btient par le prduit des grandeurs θ et X. Calculer la péride T de la tensin alternative sinusïdale appliquée. Exprimer le résultat en secndes. T = 4 5 = 20 ms = 0,020 s 5. Bilan de l activité 1 : Un scillscpe permet de mesurer la péride T d une tensin alternative sinusïdale. *mtif élémentaire : plus petite partie de la curbe qui se reprduit identique à elle-même. PIERRON 2008 Mesure de la péride à l scillscpe - Fréquence (page 4)
Dcument du prfesseur 5/6 ACTIVITE 2 : Mesure de la fréquence d une tensin alternative sinusïdale avec un fréquencemètre. La fréquence, ntée f, d un phénmène péridique est le nmbre de fis qu il se reprduit identique à luimême en une secnde. C est dnc le nmbre de pérides en une secnde. On utilise un multimètre en mde fréquencemètre afin de mesurer la fréquence d une tensin alternative. 1. Placer le sélecteur du fréquencemètre sur le calibre le plus élevé. Nter ce calibre : 20 khz 2. Brancher un fil sur la brne COM, un autre fil sur la brne Hz. 3. Brancher le fréquencemètre aux brnes du générateur de tensin alternative sinusïdale utilisé dans l activité 1 en utilisant les mêmes brnes que dans cette activité. 4. Faire une première déterminatin de la fréquence f et adapter éventuellement le calibre pur btenir la valeur la plus précise pssible. Nter le calibre chisi et la valeur de la fréquence. Calibre le mieux adapté : 2kHz Fréquence : f = 0,050 khz sit 50 Hz 5. Bilan de l activité 2 : Un fréquencemètre permet de mesurer la fréquence f d une tensin alternative sinusïdale. ACTIVITE 3 : Relatin entre la péride et la fréquence 1. Expérience Vus dispsez d un générateur TBF dnt n peut faire varier la fréquence de la tensin délivrée. Brancher un scillscpe à ses brnes. Régler à vtre chix la fréquence f de la tensin délivrée par le générateur et mesurer la péride T de cette tensin à l scillscpe. PIERRON 2008 Mesure de la péride à l scillscpe - Fréquence (page 5)
Nter les valeurs de f et T dans le tableau ci-dessus. Dcument du prfesseur 6/6 Recmmencer tris fis l pératin en faisant varier la fréquence. 2. Résultats Expériences n 1 n 2 n 3 n 4 f ( Hz) 25 100 125 200 T (s) 0,04 0,01 0,008 0,005 f.t 1 1 1 1 Effectuer les calculs f.t sur la dernière ligne du tableau. Que remarquez-vus? Le prduit f.t est tujurs égal à 1. 3. Cnclusin : Le prduit f.t est égal à 1 si la fréquence f est exprimée en hertz (Hz) et la péride T en secndes (s). Cela se traduit par la relatin : f = 1/ T 4. Applicatin Le générateur utilisé dans l activité 1 délivre une tensin alternative sinusïdale dnt la péride crrespnd à celle dite du «secteur» car elle est furnie par EDF u d autres furnisseurs. Sa péride vaut T = 0,02 s. Est-ce cnfrme au résultat btenu dans l activité 1? Oui, dans l activité 1, n a bien T = 0,02 s u encre 20 ms. Calculer la fréquence f de cette tensin. f = 1/T sit f = 1 0,02 = 50 Hz Est-ce cnfrme à la mesure faite dans l activité 2 avec le même générateur? Cela est dnc cnfrme au résultat btenu dans l activité 2. Retenns : La péride de la tensin sinusïdale du secteur vaut T = 20 ms et sa fréquence est dnc f = 50 Hz. PIERRON 2008 Mesure de la péride à l scillscpe - Fréquence (page 6)