Physique-Chimie

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Exercice : Tension Alternative Sinusoïdale

Caractéristiques d’une Tension Alternative Sinusoïdale

Contexte : L'étude d'un signal électrique.

En cours de physique-chimie, nous étudions les signaux électriques qui nous entourent, comme celui délivré par une prise de courant. Pour visualiser et analyser la forme d'une tension au cours du temps, on utilise un appareil appelé oscilloscopeAppareil de mesure qui permet de visualiser un signal électrique, généralement sous la forme d'une courbe de la tension en fonction du temps.. L'écran de l'oscilloscope, appelé oscillogramme, nous donne de précieuses informations. Cet exercice a pour but de vous apprendre à les interpréter.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à extraire les caractéristiques principales d'une tension alternative (valeur maximale, période, fréquence) à partir de sa représentation graphique, une compétence fondamentale en électricité.


Objectifs Pédagogiques

  • Savoir identifier le caractère alternatif et périodique d'une tension.
  • Apprendre à déterminer la tension maximale \(U_{\text{max}}\) à partir d'un oscillogramme.
  • Apprendre à déterminer la période (T) et à calculer la fréquence (f).
  • Savoir calculer la tension efficace \(U_{\text{eff}}\) d'un signal.

Données de l'étude

On visualise à l'oscilloscope la tension délivrée par un générateur. L'oscillogramme obtenu est représenté ci-dessous. Les réglages de l'appareil sont également fournis.

Oscillogramme du signal étudié
0 t U Y X
Caractéristique (Réglage) Valeur
Sensibilité verticale (Sv) 2 V/div
Balayage horizontal (Sh) 5 ms/div
Origine (Tension et Temps) Au centre de l'écran

Questions à traiter

  1. Quel est le type de cette tension ? Justifier votre réponse en deux points.
  2. Déterminer la valeur de la tension maximale (\(U_{\text{max}}\)).
  3. Déterminer la période (T) de cette tension en ms, puis en s.
  4. Calculer la fréquence (f) de cette tension.
  5. Le voltmètre mesure la tension efficace (\(U_{\text{eff}}\)). Calculer la valeur qu'afficherait le voltmètre si on le branchait aux bornes du générateur.

Les Bases sur la Tension Alternative

1. Tension alternative et périodique
Une tension est dite alternative si elle prend alternativement des valeurs positives et négatives. Elle est dite périodique si son motif se répète à l'identique au cours du temps. L'intervalle de temps d'un motif est la période T.

2. Période (T) et Fréquence (f)
La période T est la durée d'un motif, exprimée en secondes (s). La fréquence f est le nombre de motifs par seconde, exprimée en Hertz (Hz). Ces deux grandeurs sont liées par la relation : \[ f = \frac{1}{T} \]

3. Tensions maximale (\(U_{\text{max}}\)) et efficace (\(U_{\text{eff}}\))
La tension maximale \(U_{\text{max}}\) est la plus grande valeur atteinte par la tension. Pour une tension alternative sinusoïdale, la tension efficace \(U_{\text{eff}}\), qui est celle mesurée par un voltmètre, est liée à \(U_{\text{max}}\) par la relation : \[ U_{\text{eff}} = \frac{U_{\text{max}}}{\sqrt{2}} \]


Correction : Caractéristiques d’une Tension Alternative Sinusoïdale

Question 1 : Quel est le type de cette tension ? Justifier.

Principe

Pour identifier la nature d'une tension sur un oscillogramme, on observe sa forme par rapport à l'axe du temps (l'axe horizontal, qui représente U=0 V).

Réflexions

On observe deux points sur le graphique :
1. La courbe passe de part et d'autre de l'axe horizontal. Cela signifie que la tension prend des valeurs tantôt positives, tantôt négatives. Elle est donc alternative.
2. La courbe se répète à l'identique au cours du temps. On peut voir le même motif (la "vague") se reproduire. Elle est donc périodique.

Résultat Final
La tension est alternative (car elle est positive puis négative) et périodique (car le motif se répète).

Question 2 : Déterminer la valeur de la tension maximale (\(U_{\text{max}}\)).

Principe

La tension maximale (\(U_{\text{max}}\)) est la valeur de tension la plus élevée (la "crête" de la vague) atteinte par le signal. On la détermine en mesurant son écart vertical par rapport à la ligne zéro sur l'oscillogramme.

Mini-Cours

La tension que l'on visualise, notée u(t), varie à chaque instant. \(U_{\text{max}}\) est une caractéristique du signal qui représente son amplitude. C'est la valeur absolue de la tension instantanée la plus forte.

Remarque Pédagogique

Le premier réflexe doit toujours être d'identifier la ligne du zéro volt (l'axe horizontal au milieu). Ensuite, comptez le nombre de divisions (carreaux) jusqu'au sommet le plus haut de la courbe.

Normes

Bien que cela ne soit pas une "norme" au sens strict pour un exercice, les oscilloscopes sont des instruments calibrés. Le réglage "V/div" est une échelle précise qui garantit la fiabilité de la mesure.

Formule(s)

Formule de la tension maximale

\[ U_{\text{max}} = Y \times S_v \]

Où Y est le nombre de divisions verticales du centre au sommet, et \(S_v\) est la sensibilité verticale.

Hypothèses

On suppose que l'oscilloscope est correctement calibré et que la ligne de base (0V) est bien positionnée au centre de l'écran, comme indiqué dans l'énoncé.

Donnée(s)

D'après l'énoncé et la lecture du graphique :

ParamètreSymboleValeurUnité
Déplacement vertical maximalY3div
Sensibilité verticale\(S_v\)2V/div
Astuces

Pour être précis, assurez-vous de bien compter les divisions à partir du centre de l'axe. Parfois, la courbe peut être décalée vers le haut ou le bas !

Schéma (Avant les calculs)
Mesure de l'amplitude Y
Y = 3 div123
Calcul(s)

Application de la formule

\[ \begin{aligned} U_{\text{max}} &= 3 \text{ div} \times 2 \text{ V/div} \\ &= 6 \text{ V} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Visualisation du Résultat
Umax = 6 V0V6V
Réflexions

Le résultat de 6 V signifie que la tension générée varie entre -6 V et +6 V. C'est l'amplitude maximale du signal.

Points de vigilance

Ne pas confondre les divisions et les volts. Une division n'est pas égale à un volt, c'est une unité de l'écran. Il faut toujours multiplier par la sensibilité (\(S_v\)) pour faire la conversion.

Points à retenir

Pour trouver \(U_{\text{max}}\) : 1. Mesurer la hauteur en divisions (Y) du centre au sommet. 2. Multiplier par la sensibilité verticale (\(S_v\)). 3. La formule clé : \(U_{\text{max}} = Y \times S_v\).

Le saviez-vous ?

Le rapport entre la tension maximale et la tension efficace s'appelle le "facteur de crête". Pour un signal sinusoïdal, il vaut \(\sqrt{2}\) (environ 1,414). Il est très important en électronique de puissance pour dimensionner les composants.

FAQ

Questions fréquentes sur ce sujet.

Résultat Final
La tension maximale est \(U_{\text{max}} = 6\) V.
A vous de jouer

Avec le même oscillogramme (Y=3 div), si la sensibilité verticale était réglée sur 5 V/div, quelle serait la nouvelle valeur de \(U_{\text{max}}\) ?

Question 3 : Déterminer la période (T) de cette tension.

Principe

La période (T) est la durée d'un motif qui se répète. Sur l'oscillogramme, cela correspond à la largeur horizontale d'un cycle complet de la vague.

Mini-Cours

La périodicité est une notion fondamentale en physique. Une grandeur est périodique si elle reprend la même valeur à intervalles de temps réguliers. Cet intervalle est la période. Pour un signal électrique, elle nous informe sur sa "vitesse" de répétition.

Remarque Pédagogique

Pour mesurer la largeur d'un motif, le plus simple est de se placer entre deux points identiques et consécutifs de la courbe, par exemple entre deux sommets ("crête à crête") ou entre deux points où la tension s'annule en croissant.

Normes

L'unité de base du temps dans le Système International (SI) est la seconde (s). Il est essentiel de convertir toutes les durées en secondes pour les calculs de fréquence.

Formule(s)

Formule de la période

\[ T = X \times S_h \]

Où X est le nombre de divisions horizontales pour un motif, et \(S_h\) est le balayage horizontal.

Hypothèses

On suppose que la base de temps de l'oscilloscope (le balayage horizontal) est stable et correctement calibrée.

Donnée(s)

D'après l'énoncé et la lecture du graphique pour un motif complet :

ParamètreSymboleValeurUnité
Déplacement horizontal d'un motifX4div
Balayage horizontal\(S_h\)5ms/div
Astuces

Pour une meilleure précision, on peut mesurer la largeur de plusieurs motifs (par exemple 2 ou 3) puis diviser la mesure totale par ce nombre. Cela réduit l'erreur de lecture.

Schéma (Avant les calculs)
Mesure de la largeur X d'un motif
X = 4 div
Calcul(s)

Calcul de la période en millisecondes

\[ \begin{aligned} T &= 4 \text{ div} \times 5 \text{ ms/div} \\ &= 20 \text{ ms} \end{aligned} \]

Conversion de la période en secondes

\[ \begin{aligned} T_{\text{(en s)}} &= \frac{20}{1000} \\ &= 0,02 \text{ s} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Représentation de la période T
0 s1 sT=20ms

La période T=20ms est une très petite fraction d'une seconde.

Réflexions

Une période de 0,02 s signifie que le signal effectue un cycle complet en un cinquantième de seconde. Cette information est directement liée à la fréquence.

Points de vigilance

Attention aux unités ! Le balayage est souvent donné en ms/div (millisecondes) ou µs/div (microsecondes). Il est impératif de convertir la période T en secondes (s) pour la suite des calculs, notamment la fréquence.

Points à retenir

Pour trouver T : 1. Mesurer la largeur en divisions (X) d'un motif complet. 2. Multiplier par le balayage horizontal (\(S_h\)). 3. Convertir en secondes. La formule : \(T = X \times S_h\).

Le saviez-vous ?

Les premiers oscilloscopes n'affichaient pas une grille. Les ingénieurs devaient superposer une plaque de plastique transparente graduée (un "graticule") sur l'écran pour effectuer des mesures !

FAQ

Questions fréquentes sur ce sujet.

Résultat Final
La période est T = 20 ms, soit 0,02 s.
A vous de jouer

Avec le même oscillogramme (X=4 div), si le balayage horizontal était réglé sur 2 ms/div, quelle serait la nouvelle période en ms ?

Question 4 : Calculer la fréquence (f) de cette tension.

Principe

La fréquence (f) représente le nombre de fois que le motif du signal se répète en une seule seconde. C'est l'inverse mathématique de la période T.

Mini-Cours

La fréquence est une des grandeurs les plus importantes en physique des ondes (son, lumière, radio...). Elle caractérise l'oscillation. Une fréquence élevée signifie que le signal vibre rapidement, une fréquence basse qu'il vibre lentement. L'oreille humaine, par exemple, perçoit les fréquences sonores entre 20 Hz et 20 000 Hz.

Remarque Pédagogique

Retenez que si la période T est grande, le signal est lent, et donc sa fréquence f est petite. Inversement, si T est très petite, le signal est rapide et f est grande. Elles varient en sens inverse.

Normes

L'unité de la fréquence est le Hertz (Hz), nommée en l'honneur du physicien allemand Heinrich Hertz. 1 Hz équivaut à une oscillation par seconde (1 Hz = 1 \(s^{-1}\)).

Formule(s)

Formule de la fréquence

\[ f = \frac{1}{T} \]

Attention, T doit obligatoirement être en secondes (s) pour obtenir des Hertz (Hz).

Hypothèses

On suppose que le signal est parfaitement périodique, c'est-à-dire que sa période T ne change pas au cours du temps.

Donnée(s)

On utilise la période en secondes calculée à la question 3.

ParamètreSymboleValeurUnité
PériodeT0,02s
Astuces

Pour calculer l'inverse d'un nombre décimal comme 0,02, vous pouvez penser en fractions. \(0,02 = 2/100\). L'inverse de \(2/100\) est \(100/2\), ce qui fait 50. C'est parfois plus simple que de poser la division.

Schéma (Avant les calculs)
Relation entre Période et Fréquence
0 s1 sCombien de périodes "T" dans 1 seconde ?T
Calcul(s)

Application de la formule

\[ \begin{aligned} f &= \frac{1}{0,02 \text{ s}} \\ &= 50 \text{ Hz} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Visualisation de la Fréquence de 50 Hz
0 s1 s50 cycles complets en 1 seconde
Réflexions

Une fréquence de 50 Hz est la norme pour le réseau électrique domestique dans de nombreux pays, dont la France. Cela signifie que la tension de nos prises effectue 50 cycles complets chaque seconde.

Points de vigilance

L'erreur la plus courante est d'utiliser la période T en millisecondes (ms) dans la formule. Si vous calculez \(1/20\), vous obtenez 0,05, ce qui est faux. La conversion de T en secondes est une étape OBLIGATOIRE.

Points à retenir

La fréquence est l'inverse de la période : \(f = 1/T\). L'unité de f est le Hertz (Hz) et l'unité de T doit être la seconde (s).

Le saviez-vous ?

La fréquence de 50 Hz en Europe (contre 60 Hz en Amérique du Nord) est un héritage historique de la fin du XIXe siècle, lié aux choix technologiques des premières grandes compagnies d'électricité comme AEG en Allemagne et Westinghouse aux USA.

FAQ

Questions fréquentes sur ce sujet.

Résultat Final
La fréquence de la tension est f = 50 Hz.
A vous de jouer

Si un autre signal a une période T = 10 ms, quelle est sa fréquence en Hz ?

Question 5 : Calculer la tension efficace (\(U_{\text{eff}}\)).

Principe

La tension efficace (\(U_{\text{eff}}\)) est une sorte de "valeur moyenne utile" d'une tension alternative. Elle correspond à la valeur d'une tension continue qui produirait le même effet de chaleur (effet Joule) dans une résistance.

Mini-Cours

La moyenne d'une tension alternative sinusoïdale sur un cycle est nulle. Cette valeur moyenne n'est donc pas représentative de l'énergie transportée. La tension efficace est une "moyenne quadratique" (RMS en anglais) qui, elle, est toujours positive et représente bien l'énergie que peut fournir le signal.

Remarque Pédagogique

Il est crucial de comprendre que les valeurs indiquées sur les appareils électriques (ex: 230 V pour un four) et celles mesurées par un voltmètre en mode alternatif (AC) sont TOUJOURS des tensions efficaces.

Normes

La tension de 230 V du secteur en France est une valeur efficace nominale, définie par les normes de distribution de l'électricité. La tension maximale correspondante est bien plus élevée !

Formule(s)

Formule de la tension efficace

\[ U_{\text{eff}} = \frac{U_{\text{max}}}{\sqrt{2}} \]

Cette formule simple n'est valable QUE pour un signal de forme sinusoïdale.

Hypothèses

On fait l'hypothèse que la forme d'onde visualisée est une sinusoïde parfaite, ce qui nous autorise à utiliser la formule ci-dessus.

Donnée(s)

On utilise la tension maximale calculée à la question 2.

ParamètreSymboleValeurUnité
Tension maximale\(U_{\text{max}}\)6V
Astuces

Une bonne approximation à retenir est \(\sqrt{2} \approx 1,414\). Diviser par \(\sqrt{2}\) revient à multiplier par environ 0,707. Ainsi, \(U_{\text{eff}} \approx U_{\text{max}} \times 0,707\).

Schéma (Avant les calculs)
Position de Ueff par rapport à Umax
UmaxUeff = ?
Calcul(s)

Application de la formule

\[ \begin{aligned} U_{\text{eff}} &= \frac{6 \text{ V}}{\sqrt{2}} \\ &\approx 4,2426... \text{ V} \end{aligned} \]

Arrondi du résultat

\[ U_{\text{eff}} \approx 4,24 \text{ V} \]
Schéma (Après les calculs)
Valeur de Ueff sur l'axe
Umax = 6 VUeff ≈ 4,24 V
Réflexions

Le voltmètre afficherait 4,24 V. Cette valeur est inférieure à la tension maximale (6 V), ce qui est toujours le cas pour un signal sinusoïdal. C'est cette valeur de 4,24 V qui sert à calculer la puissance dissipée par un appareil branché à ce générateur.

Points de vigilance

Ne pas confondre \(U_{\text{max}}\) et \(U_{\text{eff}}\). \(U_{\text{max}}\) se lit sur l'oscilloscope, \(U_{\text{eff}}\) se mesure avec un voltmètre (ou se calcule à partir de \(U_{\text{max}}\)). Ne pas inverser la formule : c'est bien \(U_{\text{max}}\) qui est divisé par \(\sqrt{2}\).

Points à retenir

La tension efficace se calcule avec \(U_{\text{eff}} = U_{\text{max}} / \sqrt{2}\). C'est la valeur mesurée par un voltmètre et elle est toujours plus petite que la tension maximale pour un signal sinusoïdal.

Le saviez-vous ?

La tension du secteur en France est de 230 V (efficace). Sa tension maximale est donc de \(230 \times \sqrt{2} \approx 325\) V ! Vos appareils doivent donc être capables de supporter des pics de tension de 325 V, 50 fois par seconde.

FAQ

Questions fréquentes sur ce sujet.

Résultat Final
Le voltmètre afficherait une tension efficace d'environ 4,24 V.
A vous de jouer

Un voltmètre branché sur une prise affiche 230 V. Quelle est la tension maximale (\(U_{\text{max}}\)) aux bornes de cette prise ? (Arrondir à l'entier le plus proche)


Outil Interactif : Simulateur d'Oscilloscope

Faites varier les réglages de sensibilité et de balayage pour voir comment les valeurs calculées de la tension changent. L'oscillogramme affiché (3 divisions en hauteur, 4 en largeur) reste le même.

Paramètres de l'Oscilloscope
2 V/div
5 ms/div
Résultats Calculés
Tension Maximale (\(U_{\text{max}}\)) -
Période (T) -
Fréquence (f) -
Tension Efficace (\(U_{\text{eff}}\)) -

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. L'unité de la fréquence est :

2. Un voltmètre utilisé en mode alternatif (AC) mesure :

3. Si la période d'un signal est de 0,01 s, sa fréquence est de :

4. Sur un oscillogramme, pour lire la période, on regarde :

5. Une tension est dite "alternative" car :


Glossaire

Tension alternative
Tension électrique qui change de signe (positive puis négative) au cours du temps.
Période (T)
Durée (en secondes) du plus petit motif qui se répète dans un signal périodique.
Fréquence (f)
Nombre de périodes (ou de motifs) par seconde. Son unité est le Hertz (Hz).
Tension maximale (\(U_{\text{max}}\))
Valeur la plus élevée atteinte par la tension au cours du temps. Elle se mesure en Volts (V).
Tension efficace (\(U_{\text{eff}}\))
Valeur de la tension continue qui produirait le même effet thermique (échauffement). C'est la valeur mesurée par un voltmètre en mode AC.
Oscilloscope
Appareil de mesure qui permet de visualiser l'évolution d'une tension en fonction du temps.
Exercice : Tension Alternative Sinusoïdale

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